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FAST助力中国科学家“明察秋毫”

来源:光明网2020-11-10 15:03

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  在广袤的宇宙中,经常有一束电波袭来,却仅仅闪现几个毫秒。

  2007年,天文学家在分析澳大利亚64米射电望远镜2001年记录的信号时,发现了这样的毫秒电波。随后天文学家就一直企图寻求真相:谁发出了电波?如此快速闪现的电波包含了什么信息?中国天眼FAST最新的观测揭示了这种宇宙毫秒无线电爆发的新物理,连续两篇论文在Nature发表。

  过去十几年,天文学家一直收集着信息,他们要回答的首要问题是:这些毫秒电波是银河系内致密星体发出的?还是宇宙深处的剧烈爆发引起的?经过大约十年的探寻,天文学家收集了30多个爆发源,它们在天空几乎是随机分布的,因此可以断定这些毫秒闪现源中的绝大多数不是银河系内的天体发出的。

  2017年,天文学家终于捕获到一个毫秒无线电爆发,它竟然在几个小时内重复了几次。天文学家利用世界多台大射电望远镜联合探测,并利用记录到的几毫秒的信号进行快速定位,终于将一个重复爆发的无线电快速闪现源,定位到宇宙深处30亿光年之外的一个星系里。

  然而,因为过去中国没有大射电望远镜,中国的天文学家无法拿到第一手资料,所以在这个前沿领域的研究中,中国天文学家只能做理论研究。

  中国天眼FAST于2016年竣工,经过三年调试,现在已经对国内天文学家开放。FAST不仅因为聚光面积巨大而使其电波收集能力超强,成为世界最灵敏的射电望远镜;也因为精密控制的变形能力,FAST能够聚焦和稳定跟踪天体。

  在2019年尝试性的开放观测中,北京大学和国家天文台联合培养的博士生罗睿希望利用FAST观测一个2018年3月1日澳大利亚探测到的爆发源FRB 180301,看看这个源是否会重复爆发。幸运的是,2019年7月16日FAST的2小时观测如愿探测到了4次爆发。这个结果让人激动。

  然而,在随后9月11日的4小时观测中,竟然什么信号也没有探到!由北京大学李柯伽研究员、国家天文台韩金林研究员和美国内华达大学张冰教授领导的研究团队讨论后,发现早前澳大利亚报告的爆发源的位置不够精准,随后改变了观测策略,将望远镜对准的位置调正,并记录偏振信号。终于,在2019年10月6日和7日,FAST在6个小时内探测到11次爆发。与之前的观测时间总计而言,FAST在12个小时的观测时间里探测到15次闪现,每次电波闪现的强度曲线也各不相同。这个爆发源与那个30亿光年外的爆发源距离类似、无线电爆发率类似,但强度要暗弱很多。

  最奇妙的结果来自对11次爆发电波的高灵敏度偏振信号解析。FAST装配的接收机偏振测量能力非常好。相比之下,过去世界上的望远镜仅仅对30多个爆发源中的几个记录了偏振信号,能够详细研究的样本非常少。从之前的探测看到:重复爆发源要么表现出平平的偏振角,即电波的极化面不变;偏振角变化的现象仅在一次性爆发源中看到过两次。在11个爆发信号中,FAST能够对7个毫秒闪现的爆发很好地解析出其偏振信息。

  令人激动的是,7个偏振不仅仅是变化的,而且呈现出变化的多样性(图1)。如此变化的偏振在早先的重复暴中从来没有看到。FAST观测到的偏振变化多样性明确说明:宇宙中的爆发源可能来自致密星体磁层中的物理过程。这个观测结果为近几年致密星磁层起源和爆发物质激波撞击起源的两大门派理论争锋给出了直接裁定。

FAST助力中国科学家“明察秋毫”

图1. FAST观测首次发现了毫秒爆发源偏振角PA变化的多样性(图源:作者)

  该论文因如此重要意义于北京时间2020年10月29日发表于《自然》(Nature)。

  另外值得指出的是,FAST已经做了大量天体目标的观测,在短短两年里就发现了240个脉冲星。

  作者简介:韩金林,国家天文台致密天体和弥漫介质团组首席科学家,研究员。北京市青少年科技俱乐部资深导师。

[ 责编:赵宇豪 ]
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