圖為FAST夜空中快速射電暴的閃爍示意圖（視頻截圖）。中國科學(xué)院國家天文臺供圖
被譽(yù)為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）正式驗(yàn)收至今已近兩年。“中國天眼”運(yùn)行效率和質(zhì)量不斷提高，年觀測時長超過5300小時，已遠(yuǎn)超國際同行預(yù)期的工作效率，為其科學(xué)產(chǎn)出起到重要支撐作用。1月5日，中國科學(xué)院發(fā)布消息，2021年，科學(xué)家依托“中國天眼”又取得了一批重要科研成果。
為解決恒星形成三大經(jīng)典問題之一提供重要觀測證據(jù)
中性氫是宇宙中豐度最高的元素，廣泛存在于宇宙的不同時期，是不同尺度物質(zhì)分布的最佳示蹤物之一。
國家天文臺慶道沖、李菂領(lǐng)導(dǎo)的國際合作團(tuán)隊(duì)采用原創(chuàng)的中性氫窄線自吸收方法，利用“中國天眼”首次獲得原恒星核包層中的高置信度的塞曼效應(yīng)測量結(jié)果，為解決恒星形成三大經(jīng)典問題之一的“磁通量問題”提供了重要的觀測證據(jù)。
該成果論文于北京時間1月6日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志以封面文章形式發(fā)表。
“‘中國天眼’探測到的磁場強(qiáng)度只有地球磁場的十萬分之一，比恒星形成標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的磁場強(qiáng)度弱至少3—4倍。”“中國天眼”運(yùn)行和發(fā)展中心首席科學(xué)家、論文作者李菂說，“這個結(jié)果揭示分子云在致密云核階段即可超前達(dá)成磁超臨界狀態(tài)，可能存在比標(biāo)準(zhǔn)模型更有效的磁場耗散機(jī)制使得恒星形成提前發(fā)生。此成果也有望將中性氫窄線自吸收方法拓展成為星際磁場測量的重要系統(tǒng)性探針?！?/p>
在揭示快速射電暴基礎(chǔ)物理機(jī)制方面取得重大進(jìn)展
快速射電暴（FRB）是宇宙中最明亮的射電爆發(fā)現(xiàn)象，爆發(fā)時間僅持續(xù)幾毫秒，最初于2007年被發(fā)現(xiàn)，疑似為來自河外星系的脈沖信號。發(fā)現(xiàn)之初，學(xué)界對于其真實(shí)性還有所懷疑，直到2013年更多此類現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，才逐步得到認(rèn)可和廣泛的關(guān)注，并被正式定名為快速射電暴。因起源與物理機(jī)制完全未知，成為當(dāng)今天體物理領(lǐng)域最大熱點(diǎn)之一。
目前，已有數(shù)百例快速射電暴被探測到，其中僅少數(shù)呈現(xiàn)出重復(fù)爆發(fā)現(xiàn)象。FRB121102是人類所知的第一個重復(fù)暴，在2017年成為首個被精確定位、能夠確認(rèn)其宿主星系的快速射電暴。
國家天文臺李菂、王培、朱煒瑋領(lǐng)導(dǎo)的國際合作團(tuán)隊(duì)利用“中國天眼”對FRB121102進(jìn)行觀測，在約50天內(nèi)探測到1652次爆發(fā)事件，獲得迄今最大的快速射電暴爆發(fā)事件樣本，超過此前本領(lǐng)域所有文章發(fā)表的射電暴爆發(fā)事件總量。
科研人員分析樣本后，首次揭示了快速射電暴爆發(fā)率的完整能譜，發(fā)現(xiàn)了雙峰結(jié)構(gòu)，排除了此快速射電暴爆發(fā)的周期性或準(zhǔn)周期性，嚴(yán)格限制了重復(fù)FRB來自單一致密天體的可能。這是揭示快速射電暴基礎(chǔ)物理機(jī)制的重大進(jìn)展。該成果論文于2021年10月14日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志發(fā)表。
此外，“中國天眼”多科學(xué)目標(biāo)巡天已經(jīng)發(fā)現(xiàn)至少6例新快速射電暴，正為揭示這一現(xiàn)象的機(jī)制、推進(jìn)這一領(lǐng)域發(fā)展做出獨(dú)特貢獻(xiàn)。
持續(xù)發(fā)現(xiàn)毫秒脈沖星，開展多波段合作觀測
脈沖星能夠發(fā)射出高度周期性的脈沖，周期在1.4毫秒到23秒之間。被稱為“毫秒脈沖星”的短周期脈沖星，可以與地球上最好的原子鐘相媲美。因此，發(fā)現(xiàn)脈沖星是國際大型射電望遠(yuǎn)鏡觀測的主要科學(xué)目標(biāo)之一。截至目前，“中國天眼”共發(fā)現(xiàn)約500顆脈沖星，成為自其運(yùn)行以來世界上發(fā)現(xiàn)脈沖星效率最高的設(shè)備。
“中國天眼”配備19波束L波段接收機(jī)，是目前世界上最強(qiáng)大的脈沖星搜尋利器。國家天文臺韓金林領(lǐng)導(dǎo)的“中國天眼”重大優(yōu)先項(xiàng)目“銀道面脈沖星快照巡天”在不到兩年時間，累計觀測了約620個機(jī)時，完成了計劃搜尋天區(qū)的8%。截至目前，僅該項(xiàng)目就新發(fā)現(xiàn)279顆脈沖星，其中65個為毫秒脈沖星，在雙星系統(tǒng)中的有22顆。該工作執(zhí)行1年半，所發(fā)現(xiàn)的脈沖星數(shù)已經(jīng)超越美國阿雷西博望遠(yuǎn)鏡15年的搜尋結(jié)果。相關(guān)論文于2021年5月在國內(nèi)學(xué)術(shù)期刊《天文和天體物理學(xué)研究》發(fā)表。
基于“中國天眼”靈敏度國際領(lǐng)先的優(yōu)勢，將“中國天眼”與重要空間天文設(shè)施費(fèi)米伽馬射線天文臺大視場望遠(yuǎn)鏡相結(jié)合，進(jìn)行天地一體化協(xié)同和后隨觀測，具有產(chǎn)生重大科學(xué)突破的潛力。國家天文臺李菂、王培領(lǐng)導(dǎo)的國際合作團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了多顆脈沖星，并開展了多波段觀測分析。相關(guān)成果于2021年12月在國內(nèi)學(xué)術(shù)期刊《中國科學(xué)》上以封面及編輯點(diǎn)評文章形式發(fā)表。
李菂說：“多波段合作觀測不僅開啟了‘中國天眼’脈沖星搜索新方向，而且打開了研究脈沖星電磁輻射機(jī)制的新途徑，為研究中子星星族演化和探測引力波提供更多樣本?！?/p>
未來考慮1%觀測時間向中小學(xué)生開放
科技創(chuàng)新離不開國際合作和開放共享?！爸袊煅邸痹诮ㄔO(shè)之初，即確立了按國際慣例逐步開放的原則。2021年3月31日0時，“中國天眼”正式向全球開放共享，向全球天文學(xué)家征集觀測申請。
中國科學(xué)院副院長周琪說：“一年來，中國科學(xué)院全力做好‘中國天眼’開放運(yùn)行和科學(xué)研究工作。第一時間成立了‘中國天眼’科學(xué)委員會、時間分配委員會和用戶委員會，統(tǒng)籌規(guī)劃科學(xué)方向、遴選重大項(xiàng)目、制定數(shù)據(jù)開放政策等，充分發(fā)揮‘中國天眼’科學(xué)效能，促進(jìn)重大科學(xué)成果產(chǎn)出。”
據(jù)“中國天眼”運(yùn)行和發(fā)展中心常務(wù)副主任、總工程師姜鵬介紹，此次征集共收到來自不同國家共7216小時的觀測申請，最終14個國家（不含中國）的27份國際項(xiàng)目獲得批準(zhǔn)，并于2021年8月啟動科學(xué)觀測。
隨著性能的提升，“中國天眼”的科學(xué)潛力還將進(jìn)一步顯現(xiàn)，成果還將不斷涌現(xiàn)。中國科學(xué)院院士、國家天文臺研究員武向平說：“未來，F(xiàn)AST還將搜尋發(fā)現(xiàn)更多的脈沖星，希望能看到更遙遠(yuǎn)的銀河系外的脈沖星。同時繼續(xù)巡視宇宙中的中性氫，幫助科學(xué)家研究宇宙大尺度物理學(xué)，以探索宇宙起源和演化等?！?/p>
武向平還透露，“中國天眼”正在考慮拿出1%的觀測時間對全國的中小學(xué)生開放。“中小學(xué)生可以提出好的科學(xué)想法，由專業(yè)天文學(xué)家?guī)椭麄儊韺?shí)現(xiàn)?！?/p>
制圖：汪哲平
