中国天眼的科学新发现

　　作者：钱磊 潘之辰
　　中国天眼，500米口径球面射电望远镜，是我国自主设计建造的世界最大单口径射电望远镜，是我国射电天文学领域的观天利器。迄今，中国天眼已发现一些新的天体结构和天体现象，为理解脉冲星的辐射、快速射电暴的起源、银河系和河外星系的结构，以及恒星的形成做出了贡献。与此同时，中国天眼也在开展搜寻地外文明等项目，未来将继续放眼未知，如长周期的磁星等。
　　天文学是研究宇宙天体的科学，已经有几千年的历史。长期以来，天文学家都依赖肉眼进行观测。直到1609年，伽利略发明了第一台天文望远镜，开始使用望远镜进行天文观测。
　　20世纪以来，随着科学技术的进步，天文学已经从完全依赖可见光的传统天文学，进化为使用全波段电磁波、引力波、中微子、宇宙线进行多信使观测的，包括天体物理学在内诸多分支学科的现代天文学。每种信使、每个波段的电磁波对应天体物理过程的不同方面，带给我们不同的信息。各种信使之间难以相互取代。电磁波可以分为射电、亚毫米、红外、光学、紫外、X射线和γ射线等波段。其中光学波段即为可见光;射电波段又叫无线电波段，是频率最低、波长最长的电磁波波段。地球大气对光学波段和射电波段均透明，因此，和光学望远镜一样，射电望远镜也可以建造在地面上。
　　恒星日和太阳日的差别  恒星日指的是遥远恒星两次上中天的时间差，太阳日指的是两个正午之间的时间差，由于地球除了自转，还围绕太阳公转，所以恒星日比太阳日短3分56秒。
　　射电天文学起始于央斯基(K. G. Jansky)在1930年代发现来自银河系中心(简称银心)的射电辐射。此时，无线电技术已经发展了几十年，并已成功用于通信。但当时的人们并没有意识到可以探测到来自宇宙深处的电磁波。央斯基在研究雷电等过程产生的无线电干扰时，偶然发现了来自银心的＂干扰＂，为了确认这种＂干扰＂确实来自银心，而不只是碰巧在银心方向的地球上的干扰，他使用了天文学中常用的一种手段——恒星日和太阳日的差别，即恒星日比太阳日短3分56秒。央斯基发现，这个＂干扰＂符合这一特征，所以他确定这是来自银心的无线电波。从此，射电波段为天文学研究打开了一个新的窗口。
　　射电天文学在一段缓慢发展时期之后开始迅速发展，从1950~1970年代，爆发性地产生了很多重要发现，例如星际的中性氢气体、星际分子、宇宙微波背景辐射、类星体的射电辐射和脉冲星。其中后四者并称为1960年代射电天文学四大发现。
　　射电望远镜灵敏度发展  Reber：雷伯（G. Reber）自制射电望远镜；Dwingeloo：德温厄洛射电望远镜；Jodrell Bank：焦德雷班克射电望远镜；Parkes：帕克斯射电望远镜；Arecibo：阿雷西博射电望远镜；Efffelsberg：埃费尔斯贝格射电望远镜；WSRT：韦斯特博克综合孔径射电望远镜；VLA：甚大天线阵；ATCA：澳大利亚望远镜致密阵列；GMRT：巨型米波射电望远镜；GBT：绿岸射电天文望远镜；e-Merlin：英国e-Merlin望远镜；EVLA：美国EVLA射电望远镜；FAST：中国天眼。（参见《FAST可行性研究报告》）
　　此后，射电望远镜的性能提升，无论是灵敏度，还是包括时间分辨率和频谱分辨率在内的性能提升，几乎都伴随着重要的发现。从射电望远镜灵敏度随时间的发展趋势来看，500米口径球面射电望远镜(five-hundred-meter aperture spherical radio telescope, 简称FAST，又称为中国天眼)的出现正逢其时，这是一台符合时代要求的射电望远镜。FAST是当今世界上灵敏度最高的单口径射电望远镜，高灵敏度使得它能看到更暗的天体，甚至有些是从未见过的。此外，高灵敏度使得FAST能够对一些短时标变化进行精确测量，这是大部分射电望远镜所不具备的。
　　FAST的基本性能
　　FAST建设在贵州省南部一个叫做大窝凼的喀斯特洼地中，之所以选择建设在这里是因为喀斯特洼地很少积水，降水会通过缝隙快速渗透到地下暗河中。这一点和美国阿雷西博(Arecibo)望远镜类似。不过和阿雷西博的台址不同，大窝凼是在贵州省众多的喀斯特洼地中精挑细选的，形状和大小都非常合适。并且，大窝凼的海拔高于周边的洼地，这就保证不会积水，而阿雷西博所在的洼地在暴风雨天气是会积水的。
　　传统的全可动射电望远镜靠改变整个反射面的姿态实现望远镜指向。考虑到重力变形和造价的因素，目前的全可动望远镜的口径都在百米左右。为了获得更大的口径，FAST采用了在喀斯特洼地中建设主动反射面的方案，其反射面是一个口径500米的球冠。在观测的时候，根据源的位置，将源和球心连线为对称轴的一个300米口径的局部区域变形为抛物面，同时把馈源放置到抛物面焦点，这样就可以汇聚并接收天体发出的电磁波。
　　为了实现将反射面的一个局部区域实时变形为抛物面，并实时调整馈源的位置，FAST建设了测量和控制系统，用于保证反射面精确变形和馈源精确定位。馈源接收到的电磁波经过放大后传送到观测基地，通过数字后端采样转换为天文学家使用的科学数据。
　　为什么要建造FAST这么大的射电望远镜?我们从参数空间的角度来进行一些讨论。宇宙中天体的性质可以用一些参数表示，比如距离、大小、亮度等，这些参数可以构成一个假想的参数空间。换一个角度看，这些天体对应于参数空间中的点，人类对宇宙的不断探索就是在参数空间中不断开拓。
　　FAST全景  FAST建设在喀斯特洼地中，避免了积水的问题。从图中可以看到500米口径的球冠反射面，和用于支撑馈源舱的6座馈源支撑塔。馈源舱由6根钢索悬挂，6根钢索由6座馈源支撑塔塔顶的导向滑轮，引向塔下方的卷扬机。通过这6根钢索，可以将馈源舱放到所需的位置，并通过馈源舱内的馈源支撑平台将馈源放到焦点。
　　FAST观测光路图 S1、S2表示2个信号源。
　　对于天文观测而言，参数空间中的一个重要参数是望远镜的灵敏度，即望远镜观测暗弱天体的能力。纵观天文学历史，望远镜的发展就是在追求越来越高的灵敏度，提高灵敏度的一个直接方法就是建造更大口径的望远镜。FAST就是在这样的背景下被设计、建造出来的。
　　FAST的有效口径为300米，灵敏度是阿雷西博的2.5倍。就积分时间而言，达到同样的观测效果，FAST只需要花费阿雷西博望大约1/6的时间。我们不止一次发现，别的望远镜花几个小时才能探测到的脉冲星，FAST只需要几分钟;别的望远镜看不到的脉冲星，FAST能看到;别的望远镜测不准的偏振度，FAST能测准。
　　作为一台非全可动的射电望远镜，虽然FAST的天顶角范围比传统的全可动望远镜小很多，但通常也足以对具有适当天顶角的源进行3~5小时的连续跟踪。为了达到同样的效果，其他望远镜需要连续跟踪几十个小时，这通常是不可能的。所以FAST可以发现其他望远镜难以发现的天体。
　　高灵敏度使得FAST可以在参数空间中拓展很多未知区域，并且已经探索到那些其他望远镜无法涉足的区域，获得了很多新发现。未来对参数空间新区域的探索也将使FAST有更多收获。
　　FAST的科学目标及发现
　　射电天文数据，就其原始形态而言，是强度的时间序列，通过傅里叶变换，可以得到随时间变化的频谱。于是，射电天文学的科学目标可以简单分为，主要分析时间序列的时域科学目标和主要分析频谱的频域科学目标，以及一些需要同时进行时间序列和频谱分析的其他科学目标。
　　在FAST设计阶段，天文学工作者根据设计性能和天文学发展趋势为FAST规划了一些科学目标。时域科学目标包括搜寻脉冲星和对脉冲星进行计时观测;频域科学目标包括绘制银河系中性氢气体分布图、观测河外星系的中性氢和星际分子;其他科学目标包括参与甚长基线干涉(VLBI)联测和搜寻地外文明。随着天文学的发展，FAST也增加了一些科学目标，其中最重要的就是对快速射电暴(fast radio bursts，简称FRB)开展观测的时域科学目标。2007年人类第一次发现FRB，这是一种来自银河系外的神秘的射电爆发现象，最近又观测到来自银河系内的FRB。FRB爆发的持续时间仅为几毫秒，却显示出极高的亮度，其能量相当于太阳在一整天内释放的能量。FRB的脉冲在消色散(受银河系中星际介质影响，脉冲星发出的脉冲在到达地球之前会发生＂色散＂。为得到高信噪比的脉冲信号，在数据处理时需抵消掉色散带来的延时，即消色散)之后，可以看到脉冲宽度一般只有几毫秒，根据色散估计它们来源于宇宙深处，但是目前我们对其本质还不清楚。
　　时域科学中的发现
　　在2016年建成并开始调试之后，FAST就开始按计划实施其科学目标了。首先进行的是在时域上对脉冲星的观测。脉冲星是一种质量和太阳相当、半径仅有大约10千米的致密天体。由于引力强、半径小，脉冲星能够快速转动、周期性地发射脉冲信号。构成脉冲星的物质具有极高的密度，处于一种极端的物态。脉冲星及其周围的物理过程涉及4种基本相互作用，是研究基本相互作用不可多得的天空实验室：通过观测脉冲星可以研究磁层中的粒子产生和加速;通过测量双星中脉冲星的脉冲到达时间，可以检验相对论;通过脉冲星计时阵观测，还可以探测频率为纳赫兹(10-9赫兹)量级的引力波;未来甚至可能发现脉冲星和黑洞组成的双星系统。实现所有这些目标的基础是发现更多脉冲星。
　　2017年8月，FAST升级了超宽带接收机，此后就开始探寻脉冲星了。通过对整个可见天区漂移扫描和某些重点区域的跟踪观测，每周都能发现数量不等的脉冲星。2018年FAST安装了L波段(频率在1 109~2 109赫兹)19波束接收机后，提高了发现脉冲星的效率。至今，FAST已发现约500颗脉冲星，其中包含数十颗毫秒脉冲星，寻找稳定的毫秒脉冲星是构建脉冲星计时阵、探测引力波和检验广义相对论的基础。
　　随着接收机的更换，FAST也开始实现更多预定的科学目标，包括观测星际闪烁、脉冲星计时、中性氢成图。同时FAST也增加了新的科学目标，例如在时域可行目标中增加了FRB搜寻。
　　星际介质会影响脉冲星的射电辐射。除了自由电子导致的色散，星际介质中的湍流还会导致星际闪烁，从而使观测到的脉冲星辐射产生强弱变化。FAST在已知脉冲星B1929+10的二次谱中看到了星际闪烁特征的弧形结构[1]。此外，还发现了脉冲星PSR J0538+2817自转轴和空间运动方向的一致性[2]。高灵敏度和优良的偏振特性使得FAST脉冲星计时观测可以达到很高的精度。现在已经对一些脉冲星双星系统进行了计时观测，确定了一些具有掩食现象的脉冲星双星系统。此外，脉冲星计时阵也正在积累数据，未来有希望探测到频率为纳赫兹的引力波。
　　在观测脉冲星的同时，FAST也实现了新加入的时域科学目标——搜寻FRB。FAST在一个FRB中发现了偏振的变化，这表明至少一部分FRB与磁层活动有关[3]，为理解这些神秘的射电爆发提供了重要信息。
　　频域科学中的发现
　　FAST的频域科学目标的实现，需要稳定的望远镜状态和较长时间的数据积累，所以其进展相对于时域科学中的发现有所滞后。氢是宇宙中最丰富的元素，它能很好地展示包括银河系在内星系的结构。银河系和河外星系的中性氢观测是FAST频域科学目标的重点。
　　2021年FAST新发现的银河系旋臂结构＂香蒲＂  蓝色虚线为本次发现的结构所在位置。
　　M106星系及其卫星星系NGC4288之间的中性氢气体流  蓝色是等值线，J2000是现行通用的标准历元，表示地球时2000年1月1日12:00。
　　高灵敏度和高巡天效率使得FAST对银河系和河外星系的中性氢能进行高质量成图。在这些图中看到了之前未知的一段银河系旋臂，增进了我们对银河系结构的理解[4]。FAST也在M106星系及其卫星星系NGC4288之间发现了中性氢气体流，这有助于对星系演化的理解[5]。这些结构需都是借助高灵敏成图才能观测到的。
　　除了研究星系的结构，FAST也能测量分子云中的致密云核。借助高灵敏度和优良的偏振特性，2022年FAST使用中性氢窄线自吸收的偏振测量了致密云核周围的磁场，发现了连贯的磁场结构，该结果不同于恒星形成的标准模型预测。和传统认识不同，这表明可能存在更有效的磁场耗散机制，使得恒星形成提前发生[6]。这是FAST利用原子辐射手段探测分子云磁场从0到1的突破。这一重要成果也使得天文学家对恒星形成过程的理解更进了一步。
　　FAST正在和其他望远镜开展VLBI联测的测试，同时，FAST也在开展搜寻地外文明计划(SETI)，且SETI数字后端工作状态良好，证明通过多波束接收机进行SETI观测对于排除射频干扰是卓有成效的。
　　展 望
　　凭借极高的灵敏度和优良的综合性能，FAST已在探索未知参数空间方面取得很多成果，发现了一些新的天体结构和天体现象。这些发现帮助我们更深入地理解了脉冲星的辐射、FRB的起源、银河系和河外星系的结构，以及恒星形成。
　　从对参数空间的分析来看，未来FAST仍然有很多可以探索的区域。目前对自转周期更短的脉冲星、轨道周期更短的脉冲双星、伴星质量更大的脉冲双星的搜索都在如火如荼地开展。2022年新发现的长周期射电变源表明，银河系中可能还存在一类长周期的磁星，这也将是未来FAST的一个可能的重要研究方向。
　　本文题头图蒙王培先生惠允使用。
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　　作/者/简/介
　　钱磊，副研究员;潘之辰，副研究员：中国科学院国家天文台，北京 100101。lqian@nao.cas.cn
　　Qian Lei, Associate Professor; Pan Zhichen, Associate Professor: National Astronomical Observatories, CAS, Beijing 100101.
　　[1] Yao J M, Zhu W W, Manchester R N, et al. Evidence for three-dimensional spin-velocity alignment in a pulsar. Nature Astronomy, 2021, 5(8): 788-795.
　　[2] Yao J M, Zhu W W, Wang P, et al. FAST interstellar scintillation observation of PSR B1929+10 and PSR B1842+14. Research in Astronomy and Astrophysics, 2020, 20(5): 76.
　　[3] Luo R, Wang B J, Men Y P, et al. Diverse polarization angle swings from a repeating fast radio burst source. Nature, 2020, 586(7831): 693-696.
　　[4] Li C, Qiu K P, Hu B, et al. The discovery of the largest gas filament in our galaxy, or a new spiral arm? The Astrophysical Journal Letters, 2021, 918(1): L2.
　　[5] Zhu M, Yu H Y, Wang J, et al. FAST discovery of a long hi accretion stream toward M106. Astrophysical Journal Letters, 2021, 922(1): L21 (6pp).
　　[6] Ching T C, Li D, Heiles C, et al. An early transition to magnetic supercriticality in star formation. Nature, 2022, 601: 49.
　　射电望远镜 脉冲星 快速射电暴 中性氢