“天眼”问天潜力无限

2020-11-12

今年1月11日，有“中国天眼”之称的中国500米口径球面射电望远镜（FAST）通过验收，具备开放运行条件。而今，“中国天眼”已正式运行超过300天。

在稳定可靠运行的同时，FAST“勤恳”从事观测服务。国家天文台近日表示，FAST已发现脉冲星数量超过240颗。在“天眼”的帮助下，中国科研团队迅速成为国际快速射电暴领域的核心研究力量。

中国科学家取得一系列重大成果

成为射电暴领域的核心力量

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。

谁发出了这样的电波？快速闪现的电波包含了什么信息？过去十几年，各国天文学家一直在收集和分析信息。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。

“过去，由于没有自己的大射电望远镜，中国天文学家无法拿到第一手材料。在这一领域研究中，大多只能从事理论研究。”中国科学院院士、国家天文台台长常进说。

随着“中国天眼”竣工、调试，再到正式运行并对国内天文学家开放，快速射电暴领域的中国力量迅速崛起。

“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FAST的最新观测，中国科学家取得一系列重大成果。

天文利器助力观测

终结射电爆发理论争锋

对于神秘的毫秒射电爆发，此前的理论研究主要有两派观点——一种认为毫秒射电爆发是由粒子冲撞引起的，另一种观点则认为它是粒子在强磁场中穿行产生的。

国家天文台首席研究员韩金林说，FAST的观测结果直接终结了理论争锋。“通过对11次射电爆发的高灵敏度偏振信号解析，中国科研人员用直接的观测结果否定了粒子冲撞的理论。”

这个具有一锤定音意义的研究来自于北京大学教授、国家天文台研究员李柯伽团队。2019年，该团队利用FAST探测到1例全世界仅有21例的快速射电暴重复爆发FRB180301。

更大的惊喜来自于对11次爆发电波的高灵敏度偏振信号解析。李柯伽说，过去世界上的望远镜仅对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。FAST装配的接收机偏振测量能力非常好，观测的11个爆发信号中，有7个毫秒闪现爆发能够很好地解析出其偏振。

据李柯伽介绍，这7个偏振不仅是变化的，而且呈现出变化的多样性。这说明，宇宙中的爆发源可能来自致密星体磁层中的物理过程，而非来自粒子冲撞。

今年8月，北京师范大学林琳博士、北京大学张春风博士、国家天文台王培博士等联合研究团队，利用FAST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。王培说，FAST的测量结果，对研究快速射电暴的起源和物理机制将起到重要的推动作用。

10月29日和11月4日，上述两篇研究成果论文在《自然》杂志发表。在这一前沿领域的研究中，中国科学家已走在了前列。

“有了大国利器，我们在国际天文学领域的地位就不一样了。在射电天文学领域，我们已经进入第一方队。”中国科学院院士、FAST科学委员会主任武向平说。

寻找银河系外首颗射电脉冲星

测量技术应用前景广泛

正式“服役”近1年，FAST可以称得上是“劳模”。国家天文台公布的数据显示，FAST的观测服务超过5200个机时，超过预期目标近两倍，累计发现脉冲星数量超过240颗，基于FAST数据发表的高水平论文达到40余篇。

目前，FAST发现的脉冲星中，包括被称作“黑寡妇”的新脉冲双星系统以及有“红背蜘蛛”之称的具有掩食现象的毫秒脉冲双星。借助FAST的高灵敏度，脉冲星信号掩食现象以及脉冲星信号到达时间延迟等细节变化，都被清晰观测到。

武向平说，期望在未来5年，FAST发现脉冲星数量能达到1000颗，甚至能找到银河系外的第一颗射电脉冲星。

随着性能的提升，FAST科学潜力逐步显现。其灵敏度是全球第二大单口径射电望远镜的2.5倍以上，超强灵敏度使其在射电瞬变源方面具有重大潜力，有望在短时间内实现纳赫兹的引力波探测。同时它还有能力将我国深空探测及通讯能力延伸至太阳系边缘，满足国家重大战略需求。

FAST的先进测量技术远不止于望远镜本身，在其他领域有重要的应用前景。国家天文台研究员、FAST总工程师姜鹏介绍，在高精度地矿勘探方面，FAST可以利用惯性组件与卫星导航融合技术，为重力测量提供高精度的位置和方位姿态基准；在海洋测绘中，采用惯性组件与声纳等测量技术融合，实现海底测绘，为勘探区作业的机器设备建立高精度的时空和姿态基准。

观测申请竞争激烈

明年将向全世界开放

天天摸着望远镜做观测的人，才能发现前沿的问题。只有拥有自己的“大望远镜”，才能从观测角度做出更多原创的、世界领先的成果。

1993年，包括中国在内的10个国家的天文学家提出建造新一代射电望远镜的倡议。活跃在国际天文界的南仁东毅然回国，力主中国独立建造自己的“大望远镜”。

此后，从1994年开始选址和预研究，到2016年9月正式启用，再到今年年初正式开放运行。“中国天眼”从预研到完成花费了26年的时间，近百名科研工作者前赴后继投入到项目之中，终于实现了从无到有、全球领先的“天眼”之梦。

在工程建设方面，FAST实现了多项自主创新，显著推动了我国相关产业技术的革新与发展。FAST的全新设计理念开创了建造巨型望远镜的新模式。多年来，工程团队开展了一系列的技术攻关，克服了力学、测量、控制、材料、大尺度结构等诸多技术难题，所有技术指标均达到设计要求。

FAST的反射面相当于30个足球场，是世界最灵敏的射电望远镜，大大拓展人类的视野，也使中国的天文学家终于有机会走上世界科学研究的最前沿。

今年2月，在新冠肺炎疫情严峻之时，FAST团队克服困难，正式启动科学委员会遴选出的5个优先和重大项目，近百名科学家开始使用并处理FAST的科学数据。4月，时间分配委员会开始向国内天文界征集自由申请项目，目前已经接到170余份申请，其中外部用户的比例高达95.7%。

FAST观测竞争激烈、一“测”难求。国家天文台台长、中科院院士常进介绍，目前望远镜收到的申请共约5500个小时，但实际获得批准的仅有1500个机时，即只有不到30%的申请时间能够得到支持。

尽管观测“供不应求”，但FAST仍将面向全球科学家持续开放，让“中国天眼”成为天文领域的“世界之眼”。

“未来10年，中国将迎来射电天文发展的黄金时期。”武向平说，为了发挥更大的科学价值，计划明年将FAST向全世界科学家开放使用，一起为探索宇宙的奥秘、推动人类文明的进步作贡献，构建人类命运共同体。