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中国天眼FAST即将向全球天文学家开放

2019-09-27 10:08:21  来源:Nature自然科研

FAST的超高灵敏度将推动探测宇宙现象,包括快速射电暴和脉冲星。

全球最大的单口径射电望远镜正在紧锣密鼓地准备向全球天文学家开放,即将开启高灵敏度观测的新时代。这不仅有助于寻找引力波,还能探测到神秘又短暂的快速射电暴(FRB)

FAST将实现对天文现象的高精度测量。

FAST将实现对天文现象的高精度测量。

500米口径球面射电望远镜(简称FAST)位于贵州,刚刚通过了一系列技术和性能评估,有望在下个月举行的评审会议上正式通过政府验收,实现全面开放。FAST首席科学家李菂表示:“我们不认为接下来的阶段还有任何困难,我感到万分激动,同时又如释重负。”

这项复杂的工程经历了不少困难。先是颠覆性的设计无章可循,再到项目初期人才难觅,部分是因为它的地理位置太过偏僻。但是,这些付出所换回的科学回馈却是巨大的。世界第二大单口径望远镜是波多黎各的阿雷西博射电望远镜(Arecibo Observatory),与之相比,FAST能收集到无线电波的面积是它的两倍之大。

FAST的超大尺寸意味着它可以探测到来自宇宙各个角落的极微弱的无线电波信号,包括脉冲星(旋转的死亡恒星核)和遥远星系的氢。FAST还将探索射电天文学的一个前沿领域——利用无线电波定位可能存在地外生命的系外行星。

FAST自2016年进入调试阶段,一直只有中国科学家领导的项目才能取得FAST的初始数据;但是现在,全世界的研究人员都能申请观测时间了,上海天文台台长、中国科学院FAST监督委员会联席主席沈志强如此表示。

“一想到能用FAST我就超级激动。”美国西弗吉尼亚大学射电天文学家Maura McLaughlin说。她想通过FAST研究脉冲星,寻找河外星系中脉冲星的所在位置,这些脉冲星的信号非常微弱,利用现有望远镜无法探测到。

FAST在调试阶段已经发现了100多个脉冲星。

天空之眼

造价达人民币12亿元(1.71亿美元)的FAST也被称为“天眼”,位于中国西南部贵州省偏远的大窝凼洼地。FAST直径500米的反射面由大约4400块独立铝板组成,利用2000多台机械绞车进行倾斜拼装,让每个单元聚焦不同的天空域。李菂说,虽然它的扫描面积没有一些尖端射电望远镜来得大,分辨率也不如多口径望远镜阵列,但FAST的灵敏度是独一无二。

今年8月和9月,FAST共探测到快速射电暴源头121102的数百次重复爆发。李菂说,其中的许多爆发都非常微弱,用其它望远镜是捕捉不到的。“这是非常激动人心的好消息。”加州大学伯克利分校的快速射电暴研究人员Yunfan Gerry Zhang说。虽然没人知道这些神秘的爆发究竟从哪而来,但“我们探测到的脉冲越多,我们离答案就越近”。

快速射电暴以极快的速度在看似随机的位置转瞬即逝,而FAST每次只能扫描天空的一小部分,因此不太可能发现许多新的快速射电暴。不过,马克思·普朗克射电天文学研究所的天文学家Laura Spitler 认为,FAST令人惊艳的灵敏度将有助于追踪它们的精确起源。重复观测可以帮助科学家了解快速射电暴的诞生环境,并确定这些爆发的能量是否存在差异,或是这种重复是否有迹可寻。

McLaughlin说,FAST还能为一个尝试发现银河系时空涟漪的国际项目提供支持。这个名为“国际脉冲星计时阵”(International Pulsar Timing Array)的项目利用全球的射电望远镜监测脉冲星的规律辐射,从中寻找可以表明有低频引力波经过的扭曲。

McLaughlin说,到本世纪30年代,FAST应将积累足够多的高灵敏度测量数据,可以对这些引力波的不同来源进行独立研究,比如超大质量黑洞的碰撞。她说:“那才是FAST将真正大显身手的地方。”

李菂说他对太阳系系外行星的研究尤其感兴趣。目前还没有系外行星是仅仅因为射电辐射而被探测到的,而FAST具备识别微弱极化波的能力,或能填补这方面的空白。他还说,极化无线电信号也可能来自一些有磁场的行星,如果这些磁场与地球磁场相似,它们可能也具有保护潜在生命不受辐射伤害,以及维持行星大气的能力。

要在FAST的宽波束中发现行星具有一定的难度,因为它们既弱又小。李菂团队想再增加36个5米口径望远镜,升级FAST的探测能力。他说,别看这些望远镜价格不高,也有成品可用,但它们加起来却能将FAST的空间分辨率提高100倍。

李菂希望FAST的运作可以很快迁移至投资2300万美元的贵阳数据处理中心。他希望向大城市迁移可以吸引更多的技术和工程人才。

目前,团队面临的最大障碍在于如何存储和处理FAST即将产生的海量数据。团队正在与中国政府协商,希望能争取到额外的经费,用于实现更多的数据存储。他说:“好的评审结果肯定会助我们一臂之力。”

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