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“中国天眼”助解天文谜题

时间:2022-03-24 09:56:53 来源:人民日报海外版

“中国天眼”馈源舱

  新华社记者 欧东衢摄

“中国天眼”全景

  新华社记者 欧东衢摄

  在广袤的宇宙中,经常出现短暂而猛烈的无线电波爆发,持续时间通常仅有几毫秒,却能够释放出相当于地球上几百亿年发电量的巨大能量。2007年,天文学家首次发现了这样的毫秒电波——快速射电暴,并对其展开了探索研究。通过快速射电暴周边环境的复杂程度,科学家可以确定其所处的演化阶段,并揭开快速射电暴的起源之谜。

  过去,由于没有自己的大射电望远镜,在这一领域中,中国科学家大多只能从事理论研究。随着“中国天眼”——500米口径球面射电望远镜(FAST)正式运行,快速射电暴领域的中国力量迅速崛起,研究成果频出。近日,中国科研团队通过“中国天眼”观察并计算出快速射电暴的起源证据,并于3月18日刊登于国际权威学术期刊《科学》杂志。

  为确定快速射电暴起源提供关键证据

  据了解,目前天文学家能够观测到的95%左右的快速射电暴都是只出现一次便销声匿迹。2017年,天文学家捕获到一个毫秒无线电波爆发,在几个小时内重复多次。利用世界多台大射电望远镜联合探测和定位,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30亿光年之外的星系里。

  之江实验室研究专家冯毅表示,快速射电暴的起源有众多理论模型,但缺乏观测证据。中国科研团队的研究通过关键观测证据证明,重复快速射电暴处在类似超新星遗迹的复杂环境中。

  中国天眼首席科学家、中科院国家天文台研究员李菂说,基于FAST等多项数据,中国科研团队首次提出了一种描述快速射电暴周边环境复杂程度的方法,创新性地利用偏振频率演化关系研究快速射电暴周边环境,通过偏振观测确定其可能的演化阶段,为最终确定快速射电暴起源提供关键观测证据。

  李菂表示,这项工作充分结合了“中国天眼”的高灵敏度优势和国际热点前沿的丰富观测资源。依托“中国天眼”FAST、美国绿岸望远镜GBT、加拿大CHIME望远镜和澳大利亚平方公里阵列先导阵ASKAP等全球先进射电望远镜,中国研究团队测量了5个快速射电暴,加上对国际最新研究结果的总结,共获得21个快速射电暴样本。其中,样本中的重复快速射电暴均满足研究团队提出的理论解释。

  “‘中国天眼’的持续深度监测结合其他先进设备,有望在未来回答关于快速射电暴起源的一系列关键问题。”李菂说。

  拉开中国射电大科学装置从追赶到超越的序幕

  快速射电暴的起源和产生机制是当今天文学最大的谜题之一。李菂表示,对于快速射电暴这种神秘现象的研究,可能对物理学和天文学产生革命性影响。

  观测快速射电暴,“中国天眼”很有优势。“中国天眼”聚光面积巨大,电波收集能力超强,是世界最灵敏的射电望远镜,其具有精密控制的变形能力,能够聚焦和稳定跟踪天体。借助“中国天眼”的观测,中国科学家近年来在快速射电暴研究领域取得一系列重大成果。

  2020年,中国科学家一篇关于快速射电暴的研究成果入选《自然》和《科学》杂志年度十大科学发现。北京师范大学林琳、北京大学张春风、国家天文台王培等联合研究团队利用“中国天眼”观测到银河系中有一颗已知磁星SRG1935+2154呈现出几十次伽马射线爆发,这是人类首次在银河系内观测到快速射电暴。

  2021年,一篇关于“中国天眼”捕获世界最大快速射电暴样本的研究成果入选2021年度中国科学十大进展。国家天文台李菂、王培、朱炜玮领导的国际合作团队利用“中国天眼”对快速射电暴FRB121102进行观测,在约50天内探测到1652次爆发事件,超过此前本领域所有文章发表的爆发事件总量,首次揭示了快速射电暴的完整能谱及其双峰结构。

  目前,“中国天眼”已经成为中低频射电天文领域的观天利器。“FAST以其‘历史最强’的绝对灵敏度,在射电探测源方面具有重大潜力,拉开了中国射电大科学装置从追赶到超越、一览宇宙千里江山的序幕。”王培说。

  开放共享,深化人类对宇宙的认知

  “中国天眼”正式运行两年多来,运行效率和质量不断提高,年观测时长超过5300小时,远超国际同行预期的工作效率,为科学产出起到重要支撑作用。

  事实上,不仅是在射电天文领域,“中国天眼”已在多个研究方向产出科学成果,深化着人类对宇宙认知。

  2021年,FAST中性氢谱线测量星际磁场取得重大进展,为解决恒星形成三大经典问题之一的“磁通量问题”提供了重要的观测证据;“银道面脉冲星快照巡天”项目持续发现毫秒脉冲星,不到两年发现了279颗脉冲星,超过了美国阿雷西博望远镜15年的搜寻结果;开展多波段合作观测,开启脉冲星搜索新方向,并打开研究脉冲星电磁辐射机制的新途径。

  去年3月31日,FAST正式向全球开放共享,向全球天文学家征集观测申请。中国科学家与国际科学界携手探索浩瀚宇宙,共创人类美好未来。目前,已有来自14个国家(不含中国)的27份国际项目获得批准,并于2021年8月启动科学观测。

  中国科学院副院长、党组成员周琪说,FAST运行更加稳定,效率进一步提升,快速射电暴、脉冲星、中性氢宇宙等科研成果不断涌现。一系列的工作和成果表明,“中国天眼”已经进入到多出成果、出好成果的新阶段。


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