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中国天眼 目光更有神

2018-09-17 09:41:35|来源:人民日报|编辑:薛维萌 |责编:韩东林

日前,无人机拍摄的“中国天眼”全景。新华社记者 刘 续摄

  15日,首届中国·天泉湖天文论坛在江苏盱眙举行。中国500米口径球面射电望远镜(FAST)首席科学家、中国科学院国家天文台研究员李菂在论坛上表示,被誉为“中国天眼”的FAST经过两年的紧张调试工作,现已实现了跟踪、漂移扫描、运动中扫描等多种观测模式,数项关键指标超过预期。截至目前,已发现了44颗被确认的新脉冲星,有望明年下半年完成验收并向全国天文学家开放使用。

  研究脉冲星有望解决许多重大物理学问题

  经过工作人员的精心调试,如今“天眼”视力越来越好,脉冲星的批量发现也随之开始。

  去年10月10日中科院国家天文台就曾对外公布,FAST首次发现脉冲星,当时探测到数十颗优质脉冲星候选体,其中6颗通过国际认证。近一年过去,如今新发现脉冲星的数量又有突破。截至目前,FAST已经探测到59颗优质的脉冲星候选体,其中已经有44颗得到认证。

  “特别是今年2月探测到有史以来最暗弱的毫秒脉冲星之一,这颗脉冲星是其他国家很多望远镜看了多次却都没有看到的。这充分证明了FAST在灵敏度方面的优势。”李菂说。

  搜寻和发现射电脉冲星是FAST核心科学目标。脉冲星由恒星演化和超新星爆发产生,因发射周期性脉冲信号而得名。自1967年发现第一颗脉冲星以来,过去50年里,人类发现的脉冲星家族至少有2700个成员。

  “脉冲星是一种高速自转的中子星,它的密度极高,每立方厘米重达上亿吨。它的自转速度很快、自转周期精确,是宇宙中最精确的时钟。”李菂说,“因此,它具有在地面实验室无法实现的极端物理性质,是理想的天体物理实验室,对其进行研究,有希望得到许多重大物理学问题的答案。譬如,脉冲星的自转周期极其稳定,准确的时钟信号为引力波探测、航天器导航等重大科学及技术应用提供了理想工具。”

  “通过对快速旋转的射电脉冲星进行长期监测,选取一定数目的脉冲星组成计时阵列,就可以探测超大质量双黑洞等天体发出的低频引力波。”李菂说。

  巨大的接收面积和超高灵敏度,才能看清天体目标的细节

  自2016年9月25日落成启用后,FAST望远镜就正式进入为期3—5年的调试期。

  一般来说,巨星望远镜调试期都会涉及天文、测量、控制、电子学、机械、结构等众多学科领域,是一项强交叉学科的应用性研究,所以国际上传统大射电望远镜的调试周期很少低于4年。

  FAST总工程师、中科院国家天文台研究员姜鹏说:“FAST巨大的接收面积注定了它有其他望远镜无法比拟的优势,即超高的灵敏度,但这也使得它的系统构成更为复杂,因此它的调试工作也更具有挑战性,也更容易受设备故障的影响。同时,还有30吨馈源舱(安放FAST望远镜用来接收宇宙外信号装置系统的舱体)漂在高空,安全风险也极大。”

  但调试团队不畏困难,经过半年左右的努力,最终于2017年8月27日第一次完成了反射面和馈源支撑的协同动作,首次实现了对特定目标的跟踪观测,并稳定地获取了目标源射电信号。这意味着“天眼”的“眼珠”可以转动了,也标志望远镜最具难度及最具有风险的功能性调试完成了。

  姜鹏说:“此后,‘天眼’就可以克服地球的自转,对天体目标源进行跟踪观测。要知道望远镜的灵敏度不仅与其接收面积有关,还与望远镜的跟踪时间有关。就像人的眼睛一样,只是扫视一下的话,我们只能看个大概的轮廓。如果想看清细节,就需要对着目标仔细地端详一段时间。其实,这也是FAST最重要的一个功能,只有能跟踪了,‘天眼’才能发挥它的最优性能。”

  在实现望远镜的功能性调试之后,余下的任务主要是如何提升望远镜的性能。

  姜鹏说:“目前19波束已经完成安装调试。它可以将望远镜的视场扩大19倍,从而大幅地提升望远镜的巡天效率,预期更多的脉冲星发现将由此开始。”

  静态扫描已达验收指标,正为观测河外星系脉冲星做准备

  姜鹏表示,有了19波束的支持,就可以开始向验收指标冲刺了。

  “望远镜的验收指标的实现,还要经过非常繁杂的指标分解,例如要实现设计的灵敏度,就要知道反射面的精度等。”姜鹏说,截至目前,调试工作已取得了一些非常可喜的进展。比如,望远镜的系统噪声已经控制在20K左右的水平,同时静态扫描模式下的效率已经达到50%以上,望远镜的灵敏水平已经达到了1800平方米每K的水平,可以说静态扫描工作模式已经达到了望远镜的验收指标。下一步的任务就是提高跟踪过程的控制精度,把跟踪过程的灵敏度也实现同样或相近的水平。

  对于观测范围可达已知宇宙边缘的“天眼”来说,发现脉冲星只是使命之一。未来,它还将在中性氢观测、谱线观测、寻找可能的星际通讯信号等方面进行探索发现。

  中外科学家也都期待“天眼”的发现从量变转为质变。“天眼”若能第一个捕获河外星系脉冲星,将具有开创性意义。李菂和他的研究小组已经在为观测河外星系脉冲星做技术上的准备,最早于明年初会进行尝试。(吴月辉)

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