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FAST望遠鏡即將正式開放 有望描繪早期宇宙圖景

來源﹕科技日報2019-03-10 07:53

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  500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)

  儘管遠在貴州省黔南州平塘縣的深山裡﹐但有“中國天眼”之稱的500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)一直以來都備受矚目。

  “最近我們和天馬望遠鏡團隊合作﹐首次成功實現聯合觀測﹐這標誌著FAST具備了聯合組網觀測的能力。” 中國科學院國家天文臺FAST總工程師﹑研究員姜鵬日前在接受科技日報記者專訪時說道。

  天馬望遠鏡是國內最大的全可動射電望遠鏡。在姜鵬看來﹐兩臺望遠鏡聯合觀測成功意義重大﹐有望進一步提昇我國VLBI(甚長基線干涉測量)網的靈敏度水平﹐有助於科學家們開展高靈敏度﹑高分辨率的射電天文觀測。

  目前﹐FAST工程團隊還在緊鑼密鼓地開展相關調試工作﹐為即將到來的國家驗收做準備。建成以來﹐FAST取得了哪些進展﹖未來有望在哪些領域幫助科學家取得突破﹖記者就此採訪了相關專家。

  實現“零的突破” 找到55顆新脈衝星

  2016年9月﹐FAST在貴州竣工。從一個想法﹐到最終落成﹐FAST身上凝聚了幾代天文人的心血與夢想。它的到來﹐使得中國望遠鏡在尋找新脈衝星的征途上實現了“零的突破”。

  竣工後的FAST進入試運行﹑試調試階段。處於調試階段的FAST不負眾望﹐在一年左右的時間裡有了新的發現。2017年10月﹐中國科學院國家天文臺在北京召開新聞發佈會﹐曬出了FAST的首張成績單。

  中國科學院國家天文臺研究員李菂在這次發佈會上介紹﹐FAST調試進展超過預期﹐探測到數十顆優質脈衝星候選體﹐有兩顆通過國際認證。其中首顆被認證的新脈衝星﹐是中國望遠鏡發現的第一顆新脈衝星。

  觀測對於開展天文學研究的重要性不言而喻。北京師範大學天文系教授何香濤曾撰文指出﹕“一批年輕的中國人﹐包括我自己﹐走出國門﹐才知道了什麼是近代天文學。尤其明白了﹐天文學的真諦在於觀測。”

  “沒有一流的觀測設備﹐拿不到一手的觀測數據﹐相關的實驗和理論研究就很難產生大的影響。”長期從事脈衝星相關研究的北京大學物理學院天文學系教授徐仁新說道。

  而現在﹐觀測數據不再是愁人的問題。自找到第一顆新脈衝星以來﹐FAST在脈衝星發現上逐漸有了更多的斬獲。中國科學院國家天文臺官方資料顯示﹐截至目前﹐FAST已經探測到80顆優質的脈衝星候選體﹐其中55顆被證實為新發現的脈衝星。

  數項指標超預期 打造最靈敏的“眼睛”

  按計劃﹐ FAST工程要在今年3月接受國家驗收﹐涉及工藝﹑設備﹑檔案等五大項目。通過驗收後﹐FAST將正式對外開放﹐為有需求的科學家提供服務。

  國際上知名的大型射電望遠鏡建成後﹐往往都要經過數年﹐甚至更長時間的調試磨合﹐才能以最佳狀態進入應用階段。

  “就好比一臺剛研製出來的家電﹐研發人員還要對它做各項性能指標測試﹐根據測試結果進行調整﹐確保它符合設計時提出的各項要求﹐能夠為用戶提供高質量的服務。”徐仁新舉例道。

  作為世界最大的單口徑射電望遠鏡﹐在沒有先例可循的情況下﹐FAST的調試工作無疑是極具挑戰的。全新的工作模式使得FAST具有超大的接收面積﹐也讓它具有其它望遠鏡所無法比擬的靈敏度優勢。

  姜鵬介紹﹐FAST僅反射面就需要2000余臺促動器協同控制﹐而且索網把所有促動器都連成了一個整體﹐可以說是“牽一發動全身”。

  重達30噸的饋源艙高懸在空中﹐如何確保整個系統的安全性是姜鵬要考慮的頭等大事。此外﹐對FAST所有子系統的功能性整合也是項系統工程。FAST由幾十家單位聯合研製﹐每家單位主要負責完成本地系統的調試工作﹐最後由FAST團隊完成整合。

  姜鵬介紹﹐FAST團隊足足花了半年的時間﹐仔細核對控制系統的代碼﹐進行必要的修改和完善﹐梳理不同數據通訊協議的數據接口﹐最終提前完成瞭望遠鏡的功能性調試任務。

  令姜鵬感到欣慰的是﹐經過兩年多的緊張調試﹐FAST的數項性能指標超過預期﹐在靈敏度﹑系統噪音﹑指向精度等關鍵技術指標上﹐已經達到了國家驗收標準。“可以說﹐調試後的FAST是當之無愧的世界上最靈敏的射電望遠鏡﹐可以幫助人類瞭解更遙遠﹑更早期的宇宙”。

  即將正式開放 有望描繪早期宇宙圖景

  伴隨著FAST正式開放日期的臨近﹐FAST團隊正在向包括徐仁新在內的科學家徵集應用需求。大家都在期待﹐FAST能帶來更多突破性的科學發現。

  搜尋和監測射電脈衝星是FAST的核心科學目標。銀河系中有大量脈衝星﹐但由於其信號暗弱﹐易被人造電磁信號干擾淹沒﹐目前只觀測到它們中的一小部分。具有極高靈敏度的FAST望遠鏡是發現脈衝星的理想設備。

  由恆星演化和超新星爆發產生的脈衝星﹐因發射周期性脈衝信號而得名。脈衝星的本質是中子星﹐具有在地面實驗室無法實現的極端物理性質﹐是理想的天體物理實驗室。

  研究脈衝星﹐有望得到許多重大物理學問題的答案。徐仁新舉例道﹐可以加深我們對於自然界當中引力﹑強力等基本相互作用的理解﹐並且脈衝星也是探測宇宙極低頻引力波的工具。

  同樣是脈衝星﹐也有“好壞”之分。徐仁新解釋道﹐所謂“好”的脈衝星﹐指的是計時精准的毫秒脈衝星。想要通過脈衝星計時陣來探測引力波﹐就需要找到計時精度極高的毫秒脈衝星﹐這也正是FAST重點搜尋的對象。

  此外﹐科學家還期待通過強大的FAST觀測到一些難得一見的脈衝星“珍品”﹐比如雙星系統裡的脈衝星。對單個脈衝星而言﹐測定其質量很困難﹐但在雙星系統裡﹐就能利用軌道等信息測定其質量。

  “目前觀測發現脈衝星的最大質量約為2倍太陽質量﹐足以排除不少脈衝星內部結構模型。但如果我們能通過FAST找到更大質量的脈衝星﹐無疑會是顛覆性的發現﹐將修正脈衝星結構模型並深化人們對於極緻密物質狀態的理解。” 徐仁新展望道。

  不祗是尋找脈衝星﹐FAST還將探尋早期宇宙的蛛絲馬跡──中性氫雲團的輻射。徐仁新介紹﹐中性氫雲團是宇宙中未被引力塌縮成恆星的氫原子氣體﹐通過觀測中性氫輻射﹐能獲知星系之間互動的細節﹐還可能發現早期宇宙中剛剛形成的氫原子的分佈狀態﹐幫助科學家更精確地描繪出早期宇宙的圖景。(記者唐 婷)

[ 責編﹕袁晴 ]
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