“中國(guó)天眼”饋源艙
新華社記者 歐東衢攝

“中國(guó)天眼”全景
新華社記者 歐東衢攝

在廣袤的宇宙中，經(jīng)常出現(xiàn)短暫而猛烈的無(wú)線(xiàn)電波爆發(fā)，持續(xù)時(shí)間通常僅有幾毫秒，卻能夠釋放出相當(dāng)于地球上幾百億年發(fā)電量的巨大能量。2007年，天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了這樣的毫秒電波——快速射電暴，并對(duì)其展開(kāi)了探索研究。通過(guò)快速射電暴周邊環(huán)境的復(fù)雜程度，科學(xué)家可以確定其所處的演化階段，并揭開(kāi)快速射電暴的起源之謎。

過(guò)去，由于沒(méi)有自己的大射電望遠(yuǎn)鏡，在這一領(lǐng)域中，中國(guó)科學(xué)家大多只能從事理論研究。隨著“中國(guó)天眼”——500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）正式運(yùn)行，快速射電暴領(lǐng)域的中國(guó)力量迅速崛起，研究成果頻出。近日，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)“中國(guó)天眼”觀察并計(jì)算出快速射電暴的起源證據(jù)，并于3月18日刊登于國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志。

為確定快速射電暴起源提供關(guān)鍵證據(jù)

據(jù)了解，目前天文學(xué)家能夠觀測(cè)到的95%左右的快速射電暴都是只出現(xiàn)一次便銷(xiāo)聲匿跡。2017年，天文學(xué)家捕獲到一個(gè)毫秒無(wú)線(xiàn)電波爆發(fā)，在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)重復(fù)多次。利用世界多臺(tái)大射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合探測(cè)和定位，終于將一個(gè)重復(fù)爆發(fā)的無(wú)線(xiàn)電快速閃現(xiàn)源定位到宇宙深處30億光年之外的星系里。

之江實(shí)驗(yàn)室研究專(zhuān)家馮毅表示，快速射電暴的起源有眾多理論模型，但缺乏觀測(cè)證據(jù)。中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)的研究通過(guò)關(guān)鍵觀測(cè)證據(jù)證明，重復(fù)快速射電暴處在類(lèi)似超新星遺跡的復(fù)雜環(huán)境中。

中國(guó)天眼首席科學(xué)家、中科院國(guó)家天文臺(tái)研究員李菂說(shuō)，基于FAST等多項(xiàng)數(shù)據(jù)，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)首次提出了一種描述快速射電暴周邊環(huán)境復(fù)雜程度的方法，創(chuàng)新性地利用偏振頻率演化關(guān)系研究快速射電暴周邊環(huán)境，通過(guò)偏振觀測(cè)確定其可能的演化階段，為最終確定快速射電暴起源提供關(guān)鍵觀測(cè)證據(jù)。

李菂表示，這項(xiàng)工作充分結(jié)合了“中國(guó)天眼”的高靈敏度優(yōu)勢(shì)和國(guó)際熱點(diǎn)前沿的豐富觀測(cè)資源。依托“中國(guó)天眼”FAST、美國(guó)綠岸望遠(yuǎn)鏡GBT、加拿大CHIME望遠(yuǎn)鏡和澳大利亞平方公里陣列先導(dǎo)陣ASKAP等全球先進(jìn)射電望遠(yuǎn)鏡，中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)測(cè)量了5個(gè)快速射電暴，加上對(duì)國(guó)際最新研究結(jié)果的總結(jié)，共獲得21個(gè)快速射電暴樣本。其中，樣本中的重復(fù)快速射電暴均滿(mǎn)足研究團(tuán)隊(duì)提出的理論解釋。

“‘中國(guó)天眼’的持續(xù)深度監(jiān)測(cè)結(jié)合其他先進(jìn)設(shè)備，有望在未來(lái)回答關(guān)于快速射電暴起源的一系列關(guān)鍵問(wèn)題。”李菂說(shuō)。

拉開(kāi)中國(guó)射電大科學(xué)裝置從追趕到超越的序幕

快速射電暴的起源和產(chǎn)生機(jī)制是當(dāng)今天文學(xué)最大的謎題之一。李菂表示，對(duì)于快速射電暴這種神秘現(xiàn)象的研究，可能對(duì)物理學(xué)和天文學(xué)產(chǎn)生革命性影響。

觀測(cè)快速射電暴，“中國(guó)天眼”很有優(yōu)勢(shì)。“中國(guó)天眼”聚光面積巨大，電波收集能力超強(qiáng)，是世界最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡，其具有精密控制的變形能力，能夠聚焦和穩(wěn)定跟蹤天體。借助“中國(guó)天眼”的觀測(cè)，中國(guó)科學(xué)家近年來(lái)在快速射電暴研究領(lǐng)域取得一系列重大成果。

2020年，中國(guó)科學(xué)家一篇關(guān)于快速射電暴的研究成果入選《自然》和《科學(xué)》雜志年度十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。北京師范大學(xué)林琳、北京大學(xué)張春風(fēng)、國(guó)家天文臺(tái)王培等聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)利用“中國(guó)天眼”觀測(cè)到銀河系中有一顆已知磁星SRG1935+2154呈現(xiàn)出幾十次伽馬射線(xiàn)爆發(fā)，這是人類(lèi)首次在銀河系內(nèi)觀測(cè)到快速射電暴。

2021年，一篇關(guān)于“中國(guó)天眼”捕獲世界最大快速射電暴樣本的研究成果入選2021年度中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展。國(guó)家天文臺(tái)李菂、王培、朱煒瑋領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)利用“中國(guó)天眼”對(duì)快速射電暴FRB121102進(jìn)行觀測(cè)，在約50天內(nèi)探測(cè)到1652次爆發(fā)事件，超過(guò)此前本領(lǐng)域所有文章發(fā)表的爆發(fā)事件總量，首次揭示了快速射電暴的完整能譜及其雙峰結(jié)構(gòu)。

目前，“中國(guó)天眼”已經(jīng)成為中低頻射電天文領(lǐng)域的觀天利器。“FAST以其‘歷史最強(qiáng)’的絕對(duì)靈敏度，在射電探測(cè)源方面具有重大潛力，拉開(kāi)了中國(guó)射電大科學(xué)裝置從追趕到超越、一覽宇宙千里江山的序幕。”王培說(shuō)。

開(kāi)放共享，深化人類(lèi)對(duì)宇宙的認(rèn)知

“中國(guó)天眼”正式運(yùn)行兩年多來(lái)，運(yùn)行效率和質(zhì)量不斷提高，年觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)超過(guò)5300小時(shí)，遠(yuǎn)超國(guó)際同行預(yù)期的工作效率，為科學(xué)產(chǎn)出起到重要支撐作用。

事實(shí)上，不僅是在射電天文領(lǐng)域，“中國(guó)天眼”已在多個(gè)研究方向產(chǎn)出科學(xué)成果，深化著人類(lèi)對(duì)宇宙認(rèn)知。

2021年，F(xiàn)AST中性氫譜線(xiàn)測(cè)量星際磁場(chǎng)取得重大進(jìn)展，為解決恒星形成三大經(jīng)典問(wèn)題之一的“磁通量問(wèn)題”提供了重要的觀測(cè)證據(jù)；“銀道面脈沖星快照巡天”項(xiàng)目持續(xù)發(fā)現(xiàn)毫秒脈沖星，不到兩年發(fā)現(xiàn)了279顆脈沖星，超過(guò)了美國(guó)阿雷西博望遠(yuǎn)鏡15年的搜尋結(jié)果；開(kāi)展多波段合作觀測(cè)，開(kāi)啟脈沖星搜索新方向，并打開(kāi)研究脈沖星電磁輻射機(jī)制的新途徑。

去年3月31日，F(xiàn)AST正式向全球開(kāi)放共享，向全球天文學(xué)家征集觀測(cè)申請(qǐng)。中國(guó)科學(xué)家與國(guó)際科學(xué)界攜手探索浩瀚宇宙，共創(chuàng)人類(lèi)美好未來(lái)。目前，已有來(lái)自14個(gè)國(guó)家（不含中國(guó)）的27份國(guó)際項(xiàng)目獲得批準(zhǔn)，并于2021年8月啟動(dòng)科學(xué)觀測(cè)。

中國(guó)科學(xué)院副院長(zhǎng)、黨組成員周琪說(shuō)，F(xiàn)AST運(yùn)行更加穩(wěn)定，效率進(jìn)一步提升，快速射電暴、脈沖星、中性氫宇宙等科研成果不斷涌現(xiàn)。一系列的工作和成果表明，“中國(guó)天眼”已經(jīng)進(jìn)入到多出成果、出好成果的新階段。

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