22年12亿!酱紫一台望远镜只是找脉冲星这么简单?

FAST望远镜被称为“中国天眼”,它凭借创新的主动面技术让镜面灵活变形实现对天体的高灵敏跟踪,仅建成1年便迎来首批成果:发现6颗新的脉冲星。

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  出品| 网易新闻学院

  作者| 刘博洋,中国科学院国家天文台、西澳大学国际射电天文研究中心联合培养在读博士


  (世界最大单口径射电望远镜——FAST)

  10月10日,位于中国贵州的世界最大单口径射电望远镜,被誉为“中国天眼”的大锅——五百米口径球面射电望远镜(FAST),对外公布了其建成1年以来的首批成果:发现了新的脉冲星,并且不止一个。


  (截止10月10日,FAST发现的6颗脉冲星信息。图片来源:中科院国家天文台网站)

  这是中国第一次用自己研制的天文望远镜发现脉冲星,更厉害的是,FAST在今年8月22日发现第一颗脉冲星——FAST脉冲星一号(FP1)时,只用了52.4秒。要知道,在9月10日澳大利亚帕克斯望远镜对FP1的验证观测时可是足足用了2100秒,FAST的灵敏度之高,果然名不虚传。

  (视频制作:中科院国家天文台)

  看到这里,你是不是脑子里还很懵?脉冲星是个啥,能吃吗?FAST望远镜发现新的脉冲星很牛吗?中国投入12亿元、花22年时间建了这么一台望远镜,只是找找脉冲星这么简单?

  (一)脉冲星虽然不能吃,但用来搞个大新闻却是不错的选择

  脉冲星,从字面上看,就是会发射脉冲信号的“星星”,它们其实是恒星巨人们死亡后留下的致密遗骸,比太阳还要重,却只有北京五环大小。脉冲星的最大特点就是会周期性地发射脉冲电波,而且转得飞快:通常几秒就能自转一圈,快的甚至一秒可以自转几百圈。

  世界上第一颗脉冲星是1967年发现的,而在时隔仅7年的1974年,诺贝尔物理学奖就颁发给了脉冲星发现者约瑟琳·贝尔(Jocelyn Bell Burnell)——的导师——安东尼·休伊什(Antony Hewish)。这在诺贝尔奖“中奖”的缓冲时间中,算是快的了。

  脉冲星家族里转的尤其快的一族,被叫做毫秒脉冲星,顾名思义,它们的周期是以毫秒来计算的。如果有一颗脉冲星刚好位于双星系统中,我们还可以通过观测其脉冲频率的变化,推测出它在轨道上与同伴彼此绕转的情况

  两颗致密星彼此绕转时,会强烈搅动周围的时空,以引力波的形式向外发射能量,同时逐渐消耗双星系统的势能、使得彼此越来越接近,只要确定双致密星系统轨道周期的变化过程,就可以间接地验证引力波,从而检验广义相对论。

  1974年,两位天文学家罗素·赫尔斯(Russell Alan Hulse)和小约瑟夫·泰勒(Joseph Hooton Taylor, Jr.)凭借使用阿雷西博望远镜发现的一颗位于双致密星系统中的脉冲星,该发现间接验证引力波,两位天文学家因此获得1994年诺贝尔奖。


  (赫尔斯-泰勒脉冲星轨道周期累计变化量。图片来源:J. M. Weisberg and J. H. Taylor 2004)

  现在,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)已经直接探测到引力波的存在,并为三位相关科学家赢得了2017年的诺贝尔物理学奖。但脉冲星观测仍然有机会再次在引力波探测领域一展身手,因为它能探测到比LIGO频率更低的引力波信号。

  如果我们能完全掌握脉冲星周期的变化规律,脉冲星在未来几百年还将有一个重要的应用场景:

  当人类的星舰驶向太阳系之外,脉冲星就成了茫茫星海中名副其实的灯塔。通过对脉冲星周期的监测,星舰可以随时掌握自身的运动速度,进而推算在宇宙中航行的坐标,这就是所谓“脉冲星导航”。


  (脉冲星导航艺术想象图。图片来源:德国马普地外物理研究所。图中星舰为电视剧“星际迷航”中的企业号。)

  (二)中国大锅”FAST,找脉冲星的一把好手

  “脉冲星机器”——这是一位脉冲星研究者私下里对FAST望远镜的称呼,与此前独霸世界最大口径射电望远镜宝座50多年的美国阿雷西博望远镜相比,中国的FAST望远镜找脉冲星的本领,被天文学家们寄以厚望,许多创新使其更灵敏。

  1、主动面技术让FAST可以移动主镜面实现天体跟踪

  FAST望远镜与美国阿雷西博望远镜,是世界上唯二利用喀斯特地貌中的天然盆地修建的超大口径射电望远镜。

  阿雷西博望远镜的口径是305米,作为一个固定在盆地中的望远镜,它的主镜面是完全固定的球面,要想实现自由四顾、接收不同方向的电磁波,只能通过移动副镜与馈源的方式实现,成像是不完美的。而为了对像差进行改正,它的馈源舱本身需要对信号做二次、三次反射,复杂的光路让它不得不变得非常笨重:它重达500多吨。


  (阿雷西博望远镜的馈源舱,和用来控制其移动指向的悬架系统。图片来源:David Broad)

  而FAST的主镜面采用了主动面技术,每一块面板都可以在促动器的驱动下上下运动,把镜面从初始的球面形灵活地变成抛物面型,通过主镜的主动变形来实现对天体的跟踪,同时实现对像差的改正。

  所以FAST望远镜的馈源舱外观非常简洁,没有复杂的悬架结构,只要用6根柔性索吊着就可以。


  (FAST望远镜的馈源舱。图片来源:新华社)


  (FAST望远镜的面板促动器。图片来源:China Daily)

  2、在500米球面上把位置精度控制在毫米级,这挑战不是盖的

  饭要一口一口吃,望远镜要一步一步调

  FAST望远镜在工作时,2225个促动器和6根馈源舱柔性索需要精确、协调地同时运动,要克服天气等因素对定位测量带来的干扰,在500米的巨大尺度上把位置精度控制在毫米数量级,挑战是巨大的。

  所以要想实现主动面跟踪,FAST望远镜至少要实现三个小目标

  第一步,能让镜面变形到一个特定的形状;

  第二步,能让镜面连续变形到指定的形状;

  第三步;能让镜面长时间、连续变形到指定的形状。

  现在经过初光一年以来的调试,FAST望远镜已经完成了第二步,并有望在明年实现第三步,从而达到设计能力,完成其两到三年调试期的目标,通过国家验收、正式进入正常运行状态。

  能在一年的时间内完成到第二步,还能在技术调试的空隙中挤点时间发现几颗脉冲星,FAST工程和科学团队可以说是棒棒的,给了我们一个小惊喜。

  (三)除了找脉冲星,FAST还能搞许多大事情

  FAST的主要科学目标除了脉冲星科学,还有其他几项:研究银河系中弥漫的氢原子气体的分布;研究星际分子以及羟基(OH)发射的星际“激光”(脉泽);找到更多未知的星系。

  以往在其他望远镜进行这些研究时,会根据不同研究的需求,设计不同的观测方案。但FAST团队的雄心是在较短时间内,FAST可观测区域的整个北天球部分进行完整的巡测,并同时兼顾上述四个科学目标,实现高效的科学产出。


  (巡天范围:天球赤道坐标系纬度(赤纬)-1到52度。图片来源:中科院国家天文台)

  对这样雄心勃勃的大型巡天来说,FAST在明后年即将具备的实时跟踪能力反而显得有点多余:我们不是只想看天上哪一块,何必非要跟踪、来回切换目标的折腾,纯属浪费时间。

  我们只要把望远镜对着一个方向,让地球自转带着天体一个个扫过望远镜注视的方向,就可以坐等望远镜完成(在天球上指定纬度范围内的)全天巡测——这个方案最高效、可靠。

  完成上述天区的扫描,共需要220个观测日。考虑到同时进行的技术调试所需占用的时间,这项巡天计划需要1到2年的时间来完成。

  你见过星轨照片吧,就“坐观其成”而言,差不多是一个意思。


  (星轨。图片来源:Yuri Beletsky Nightscapes)

  这样的巡天方式,叫做“扫描巡天”。FAST的扫描巡天计划,被命名为“FAST多科学目标同时扫描巡天”,英文简称CRAFTSCraftsman匠人的意思。CRAFTS巡天,是FAST人的匠心之作。

  FAST在开展CRAFTS的扫描巡天观测时,每个天体经过望远镜的有效积分时间只有短短数秒。但研究者们预期,在CRAFTS巡天中,FAST仍能凭借其超强的灵敏度,在已经被英美等国射电望远镜犁了几十年的北天球,发现数百颗新脉冲星。


  结语

  在第一颗脉冲星发现50年的今天,中国人造的刚刚竣工1年的FAST望远镜凭借其超高的灵敏度发现了6颗脉冲星。我们可以期待,在“脉冲星发现60年”的图表上,将出现一个巨大的新色块,它属于FAST,属于9月15日刚刚驾鹤西归的FAST望远镜之父——南仁东老师,属于所有继续奋战着的FAST人,属于中国,属于世界。

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  编辑| 史文慧

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