“中國天眼”4年迎成果井噴
中青報·中青網記者 邱晨輝 來源：中國青年報 （ 2020年11月17日 12 版）
神秘未知的事物，似乎總有一種魔力，吸引人類在探索的道路上前赴後繼。天文便是如此：在廣袤的宇宙中，經常有一股電波襲來，僅僅閃現幾個毫秒。沒人知道，它究竟是什麼。
2007年，天文學家在分析澳大利亞64米射電望遠鏡2001年記錄的信號中，發現了這樣的毫秒電波。隨後，天文學家一直試圖尋求真相：誰發出了電波？如此快速閃現的電波，究竟包含了什麼信息？
經過大約10年的探尋，天文學家收集了30多個爆發源，它們在太空幾乎是隨機分佈的，因此斷定“這些毫秒電波閃現源中的絕大多數，並非銀河系內的天體發出”。2017年，國際天文學家終於捕獲到一個毫秒無線電爆發，利用世界多台大射電望遠鏡聯合探測，將這個重複爆發的無線電快速閃現源，定位到宇宙深處30億光年之外的一個星系。
那些年，在這個前沿領域，中國沒有太多的話語權。因為中國沒有足夠大的射電望遠鏡，我國天文學家便很難拿到第一手資料，所以他們中的大多數，做的是理論研究。
2016年，被譽為“中國天眼”的FAST（500米口徑球面射電望遠鏡)竣工，其反射面相當於30個足球場，經過3年調試，無可爭議地成為世界最靈敏的射電望遠鏡，大大拓展了人類的視野，也讓中國天文學家終於有機會走到人類視界的最前沿。
如今，FAST望遠鏡已經對國內天文學家開放，一個又一個原創突破接連“冒”了出來。還記得“誰發出了毫秒電波”這個科學問題嗎？FAST望遠鏡給出了最新觀測，中國天文學家就此揭示了宇宙毫秒無線電爆發的新物理，相關成果論文連續兩次登上國際學術期刊《自然》。
為兩大爭鋒“一錘定音”
故事要從一年前説起。
據北京大學教授、中科院國家天文台研究員李柯伽介紹，在2019年FAST望遠鏡的嘗試性開放觀測中，研究團隊便希望利用FAST望遠鏡，觀測一個澳大利亞2018年3月1日探測到的爆發源FRB 180301，看看這個源是否會重複爆發。
幸運的是，2019年7月16日，一個2小時的FAST望遠鏡觀測，如願探測到了4次爆發。
“這個結果讓人激動！”中科院國家天文台研究員韓金林説。
然而，在9月11日的4個小時觀測過程中，研究團隊竟然什麼信號也沒有探到。
課題組內部研究後，發現原先澳大利亞報告的爆發源位置存在，隨後調整了觀測策略，將望遠鏡對準的新的位置，並記錄偏振信號。
很快，策略調整的效果顯現了。
在2019年10月6日和7日，FAST望遠鏡在6個小時內探測到11次爆發。統計下來，在共計12個小時的觀測時間裏，FAST望遠鏡探測到15次閃現，每次電波閃現的強度曲線也各不相同。
“這個爆發源，與那個30億光年外的爆發源距離類似、無線電爆發率類似，但強度要闇弱很多。”北京大學和中科院國家天文台聯合培養博士羅睿説。
更讓人欣喜的結果，來自對11次爆發電波的高靈敏度偏振信號解析。
北京大學和中科院國家天文台聯合培養博士姜金辰説，FAST望遠鏡觀測的11個爆發信號中，有7個毫秒閃現爆發，能夠很好地解析出其偏振。令人激動的是，這7個偏振不僅是變化的，而且呈現出變化的多樣性。如此變化的偏振，在早先的重複爆中是從未看到過的。
“這些也再次説明，FAST望遠鏡裝配的接收機偏振測量能力非常好。”李柯伽説。過去，世界上的望遠鏡僅僅對“30多個爆發源中的幾個”記錄了偏振信號，能夠詳細研究的樣本非常少。先前的探測看到：重複爆發源要麼表現出平平的偏振角，即電波的極化面不變；要麼是偏振角變化的現象，僅在一次性爆發源中看到過兩次。
如今，FAST望遠鏡觀測到的偏振變化多樣性，則明確説明：宇宙中的爆發源可能來自緻密星體磁層中的物理過程。這個觀測結果，直接對一批國際學者關於爆發來自粒子衝撞的理論提出挑戰，為近幾年兩大門派的理論爭鋒一錘定音。
這一研究成果的論文，已於北京時間2020年10月29日凌晨發表於《自然》雜誌。
揭開宇宙毫秒無線電爆發新物理
2020年4月，FAST望遠鏡迎來了一位新的使用者——北京師範大學講師林琳。她也是FAST望遠鏡近期另一篇《自然》論文的第一作者。
林琳及其所在的團隊，提出了對銀河系磁星SGR J1935+2154軟伽馬射線重複暴源的觀測申請。FAST望遠鏡對此進行了持續監測。
然而，在該磁星的X、軟伽馬射線爆發活躍期，特別是29個軟伽馬射線暴對應的精確時間節點上，FAST望遠鏡並未探測到任何源射電輻射。
“這在一定程度上説明，宇宙中緻密天體不同波段的爆發時，物理條件非常苛刻，無線電與伽瑪光子不能同時掃過地球。”據聯合研究團隊成員、中科院國家天文台助理研究員王培介紹，FAST望遠鏡結合此前的探測，給出了這一快速射電暴源迄今最嚴格的射電流量限制。
所謂快速射電暴，是目前已知宇宙中射電波段最明亮的爆發現象，持續時間極短，通常只有幾毫秒，能量釋放量巨大，至今尚未有其起源的明確解釋。
王培説，這一領域的關鍵是認證其對應體。磁星是高度磁化的特殊中子星，2020年4月28日，加拿大的氫強度測繪實驗望遠鏡，第一次在銀河系內磁星SGR J1935+2154探測到了毫秒級射電脈衝暴發FRB 200428，追蹤到磁星與快速射電暴之間的聯繫。如今，FAST望遠鏡觀測結合了國際多波段設備，結果表明，FRB與SGR暴發具有較弱的相關性。
“FAST望遠鏡的測量結果，對研究快速射電暴的起源和物理機制，起到重要的推動作用。”王培説。
這一研究成果，已於北京時間11月5日凌晨在線發表在《自然》雜誌。
“走上‘出大成果’的攀登之路”
隨着一系列關鍵技術的突破，FAST望遠鏡於2020年1月11日通過國家驗收，標誌着望遠鏡所有技術指標都已經達到設計要求，並已經具備了開放運行的條件。
FAST運行和發展中心常務副主任、總工程師姜鵬説，目前，FAST望遠鏡設施運行穩定可靠，近一年已經觀測服務了超過5200個觀測機時。
談及這一穩定觀測的數據時，姜鵬專門提到地方政府的貢獻：“貴州省委省政府，在望遠鏡電磁環境保護方面作出了非常大的犧牲。”他説，當地政府配套資金解決了FAST望遠鏡的雙迴路供電、地災治理等問題，在周邊佈設20多個防雹站，為望遠鏡安全運行默默無聲地作着貢獻。
2020年2月，FAST正式啓動了科學委員會遴選出的5個優先和重大項目，已經有近200家科學用户開始使用並處理FAST的科學數據。4月，FAST時間分配委員會開始向國內天文界徵集自由申請項目。
“我們已經接到170餘份申請，申請的總時間約5500個小時，實際批准1500個機時——只有近30%能得到支持，可見FAST望遠鏡觀測時間競爭相當激烈。”姜鵬説。
中國科學院院士、FAST科學委員會主任武向平説，隨着性能的提升，FAST的科學潛力逐步顯現。
在他看來，FAST的歷史最強絕對靈敏度，使其在射電瞬變源方面具有重大潛力。截至目前，基於FAST的數據發現的脈衝星超過240顆，在同一時間段世界第一，發表的高水平學術論文超過40篇——
今年4月，中科院國家天文台研究人員利用FAST觀測數據，在球狀星團M92中最新發現一個典型的“紅背蜘蛛”脈衝雙星系統M92A，其距離地球約2.6萬光年，這也是在M92中首次探測到的脈衝星。該發現還被美國天文學會選為亮點研究成果。
5月，中科院國家天文台研究員朱煒瑋、李菂等與合作者利用自主研發的搜尋技術，結合深度學習人工智能，對FAST海量巡天數據進行快速搜索，首次發現一個新的快速射電暴。
7月，中科院南美天文中心程誠等科研人員利用FAST的19波束接收機，對一批低紅移恆星形成星系樣本中的4個星系進行先導觀測，首次探測到3個星系的中性氫發射線。
2016年2月，LIGO合作組宣佈首次直接探測到廣義相對論預言已久的引力波之後，對引力波的探測成為天文學界的熱門話題。武向平説，通過對毫秒脈衝星的長期監測，選取一定數目的毫秒脈衝星組成計時陣列，可以探測來自超大質量雙黑洞等天體發出的低頻引力波。
“受益於FAST超高靈敏度，我們已經將脈衝星的測時精度提升至少一個數量級，這有望讓人類首次具備納赫茲引力波的探測能力。”武向平説，“可以説我們已經走在‘出大成果’的攀登之路上。”
他同時表示，當下取得的成果，只是證明了FAST望遠鏡科學產出所能達到的高度，“但這不應該是終點，而是一個新的起點”。
2020年11月17日 12 版