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“中国天眼”初次发明脉冲星 这颗星星献给他!

[编辑:永太净化设备经营部] [时间:2017-10-12]

“中国天眼”初次发明脉冲星 这颗星星献给他!

原题目:“中国天眼”FAST望远镜初次发现脉冲星!这颗星星,献给他

作者:刘博洋

就在昨晚,中科院国家天文台宣布了一个令人振奋的消息:我国在贵州建立的世界最大单口径射电望远镜,被誉为“中国天眼”的大锅,五百米口径球面射电望远镜(FAST),发现了新的脉冲星!而且不止一个!

我不知道你怎样想,归正我是立即想要把这个好消息告知一团体——FAST望远镜之父,9月15日刚刚驾鹤西归的南仁东教师。

南仁东。摄影:国家天文台张蜀新

你也许读过南老的故事。南仁东教师胼手砥足20多年,率领团队在故国东北绵延的大山里跋山涉水,克服有数艰巨险阻,一砖一瓦的营建起了让世界瞩目标国之重器——“中国天眼”FAST望远镜。但是就在FAST望远镜行将迎来初光一周年之际,他却因肺癌早期病情好转,放手人寰。

实践上就在南老逝世前5天的9月10日,从澳大利亚帕克斯望远镜传来了好新闻:它在验证观测中,确认了FAST望远镜在8月22日发现的一颗脉冲星候选体:这是FAST望远镜确认发现的第一颗新脉冲星,被称为FAST脉冲星一号(FP1),自转周期1.83秒,距离粗估1.56万光年。

FAST脉冲星一号被发现时所观测到的9个单脉冲轮廓。视频制造:国家天文台

并且FAST望远镜发现这颗脉冲星时,只用了52.4秒的观测,失掉的信号/噪声比值(信噪比)就达到了帕克斯望远镜验证时所用2100秒观测的3倍!FAST的灵敏度之高,果真名不虚传!

A上:FP1脉冲星的平均脉冲轮廓;A下:多个单脉冲轮廓。B:FAST脉冲星二号(FP2)的多个单脉冲轮廓。图片来源:国家天文台

我的导师,FAST望远镜副总工程师李?研究员,接到发现取得验证的喜信后立刻给南老发了一封邮件。

但是南老……不答复。

据推测,事先南老病情曾经开端好转,被转入重症监护病房。我们不明白南老有没有看到这封邮件。

多盼望他没有带着遗憾分开!

毕竟这是FAST望远镜踉跄稚嫩的第一步,是它载着中国天文学迈向星斗大海的第一步。

我想这FAST的第一颗星,应该献给南老。

他老若在天有灵,当会觉得欣慰。

致敬他,也致敬她

FAST望远镜以其冠绝群伦的灵敏度,被脉冲星研究者寄以厚望。“脉冲星机械”——一位研究者暗里里这样称说它。

脉冲星,这些恒星伟人们灭亡后留下的致密遗骸,比太阳还要重,却只要北京五环巨细。它转的飞快:凡是几秒就能自转一周,快的甚至一秒可以自转几百圈。

这样极真个天体,在1967年被一个24岁女生不测发现之前,是众人不可思议的存在。

甚至于她刚刚发现第一颗脉冲星时,认为这是外星人收回的信号,而将其编号为“小绿人一号”(LGM-1)。

她,就是约瑟琳·贝尔(Jocelyn Bell Burnell)。她是脉冲星迷信之母,却在谁人年代中因性别与位置与诺贝尔奖当面错过,许多人始终为此仗义执言。

她发现的第一颗脉冲星,后编号为CP 1919的这颗,更不测闯入流行文明领域(详见《一颗脉冲星的流行之旅》):

这颗脉冲星的脉冲轮廓图,在1979年被后朋克乐队“快活小分队”(Joy Division)用作其首张唱片“振奋莫名”(Unknown Pleasures)的封面图,从此成为风行音乐界长盛不衰的经典符号:

Unknown Pleasures 唱片封面。

《掉序》(Disorder)是这张唱片的第一支单曲。兴许脉冲星CP 1919那重峦叠嶂般的脉冲轮廓图,最符合乐队歌手们彼时的心情?

(可以开着音乐持续往下看……)

或者歌手们只是无意插柳,但我想,发现一类新天体的劳苦功高,值得人类文化以各类方式歌唱与留念。

况且我们,受其隐蔽的天文学人,又怎样会忘却她呢?

2016年9月17日,FAST望远镜第一次试观测,就是以贝尔脉冲星CP 1919为目标。

那天,信号品质好的让人迷醉。

FAST望远镜试观测时获得的贝尔脉冲星的均匀脉冲轮廓,信噪比高达5300多。图片来源:国家天文台

而往年刚好是贝尔发现脉冲星50周年,中国的FAST望远镜也终于发现了属于本人的新脉冲星,我们更可以骄傲的向后人致敬:释怀好了,从今往后,脉冲星科学交给我们来担负。

脉冲星搜寻竞赛

脉冲星的发现,被列入1960年代天文四大发现——别的三个是,类星体、星际无机分子和微波布景辐射。

不是每一个十年都有“三大”“四大”“五大”天文发现——实践上以“某某年代天文四大发现”并称的,仅此一例。

究竟,1960年代,乃是射电天文学蒸蒸日上的时期,人类第一次大范围透过光学以外的电磁波窗口向宇宙猎奇的眺望,所见的所有都是新颖的。

那也是国际射电天文学界群雄逐鹿的年代。得益于二战中为防备德国空军而生长起来的雷达技术,美国、英国及其前殖平易近地澳大利亚的射电天文技术开展占得了先机。

脉冲星搜索这场国际比赛的跑道,恰是他们逐鹿的华夏。

到脉冲星发现的十周年(1977),各国共发现脉冲星149颗。

1978年,澳大利亚莫朗格洛望远镜(Molonglo)在“科学的春天”的同时发力领跑,一鼓作气将已知脉冲星数量翻了一倍多,达到320颗。

莫朗格洛望远镜。图片来源:UTMOST名目

不过在接上去的20年中,新脉冲星发现的步调只能说不紧不慢:在位于美属波多黎各、口径305米的时任世界最大望远镜阿雷西博(Arecibo),美国绿岸天文台(Green Bank)的91米望远镜、英国乔德雷尔·班克天文台(Jodrell Bank)的76米望远镜,以及澳大利亚帕克斯天文台(Parkes)的64米望远镜通力合作下,到脉冲星发现的30周年(1997),各邦本冲星搜寻的累计战果仅扩展到了705颗。

发现脉冲星第二多的阿雷西博望远镜。图片来源:阿雷西博天文台H. Schweikerm

脉冲星搜寻的前30年,脉冲星的发现增长简直是线性,而非我们期待的指数增长。这是由射电望远镜的特征所决议的:个别一次只能观测一个方向,也就是说,传统上,射电望远镜是一个“单像素”的相机。面临浩瀚的银河系,一个点一个点的测从前,天然停顿迟缓。

你会说,如果一次能看多个像素,即使使用异样的望远镜,观测效率不也可以成倍增加吗?

正在吊装的帕克斯望远镜13波束接受机。图片来源:CSIRO

固然看起来很轻易想到,趣博,真的做起来可不是那么回事。在这个回合,澳大利亚人盘踞了上风:他们率先搞出了13波束吸收机的黑科技,极大的晋升了脉冲星搜查效力,在接上去的20年里独步全国。当初人类已知的2600多颗脉冲星里,有超越一半由帕克斯望远镜率先发现。

当然,除了技巧优势以外,南半球中纬度地域在一年中大局部时光都可以观测到天河系核心邻近区域,也是澳大利亚天文学界两度赢取先机的天然天时。

脉冲星光的“星际穿越”

后面我们提到,FAST发现的第一颗脉冲星距离“粗估1.56万光年”,这数是怎样来的呢?

先讲一个段子。

方才讲过,客岁9月,FAST刚刚出光,头一个观测的天体就是贝尔脉冲星。你可能还记得,事先漫山遍野的消息称“超等天眼收到1351光年外脉冲星信号”如此,说的就是这事。

事先接收采访的是国家天文台的钱磊副研究员。他在采访之后从缓和里回过味来,见到漫山遍野的“1351光年”,屡屡感到淡淡的哀伤。他表现,学界目前尚无对贝尔脉冲星的精确距离测量成果,1351光年这个数,纯属记者诘问之下,按照一个简略的方法常设计算的数值(详细方法见下文),且没有停止误差分析,并不宜公然采用——遑论在某些诡计论标题党口中变成“1351光年外的奥秘信号”,更是让人看了头疼。

要知道在科学家心中,没有误差剖析的测量值没有任何价值。

那从目前对贝尔脉冲星的研讨来看,它的距离的误差范围有多大呢?

惊——人——的——大。

2012年,Verbiest等人宣布在《天体物理学报》上的一篇文章(2012 ApJ 755 39)给出,贝尔脉冲星的距离是1000光年+2600光年-700光年,误差上上限之差达3000余光年,误差范围比测量值1000光年还要大几倍——这是什么意思呢——这阐明,我们只是无比、非常、异常抽象的晓得这颗星在哪。

好了,我们正式的看一看,1351光年也好,1.56万光年也好,是怎样估量出来的。

我们和大部分脉冲星,都生涯在银河系这个巨大的宇宙都市之中。有都市就有雾霾——地球上的雾霾让夕照变得红艳艳的,这是因为波长较短的蓝光被散射失落了,只剩红光。

宇宙中的“雾霾”和电磁波发生感化的机理在此处不尽雷同:在银河系旋臂——这座宇宙都会的骨干道——上,装点着很多晶莹的大质量恒星,这些能量丰满的巨人收回大量的高能光子,将周围的中性气体(重要是氢)电离,制作很多“电离氢”区,那里,大量的自由电子喝彩着“We're free! We're free!”,到处乱窜。

邻近星河系的星系M33,白色的是包括大批自由电子的电离氢区。图片来源:罗威尔天文台

当脉冲星收回的光穿越这些自由电子构成的“雾霾”时,神奇的事件发生了:频率较低的光子与自由电子发生较强的彼此作用,传布的速度被拖慢了一些;而频率较高的光子遭到的阻滞反而相对较弱,没有被拖慢那么多。

如许比及脉冲星的光实现“星际穿梭”达到地球时,频率高的光子会先到,频率低的光子会后到,它们之间的差别被称为“色散量”。色散量直接与脉冲星旌旗灯号穿过的自在电子总量(“柱密度”)相干,因此假如咱们能经过其余方法先行绘制河汉系中自由电子的散布舆图,就能够按图索骥地盘算出脉冲星的间隔了。

FAST试观测时观测到的贝尔脉冲星的色散。图片来源:国家天文台

钱磊教师在对贝尔脉冲星距离的数量级估计中,简单的使用了银河系中的平均自由电子密度,得出了与其他研究结果相契合的距离数量级(一千光年的数量级),只因计算器上小数点前刚好涌现1351四个数字,被并无歹意的媒体裹挟着制造了一则“假新闻”。钱教师的遭受,可以算是科学家与媒体沟通生效的一个典范例子。

而FAST发现的首颗新脉冲星的距离,异样是应用上述道理估计,只不外使用了最新的、愈加正确详实的自由电子分布“地图”,因而1.56万光年绝对来说是靠谱一些的,误差规模估计只要高低多少百光年。但因为这个脉冲星刚发现,不雅测次数无限,今朝还不克不及给出更谨严的误差估计。

脉冲星:诺奖摇篮

脉冲星于1967年发现,时隔仅7年,1974年的诺贝尔物理学奖就颁布给了脉冲星发现者贝尔同窗——的导师——安东尼·休伊什(Antony Hewish)。这在诺贝尔奖“中奖”的缓冲时间中,算是快的了。

可以说脉冲星甫一进入人们的视线,就吸足了眼球。这是因为对天文学家来说太重要、太有效了。

脉冲星之所以重要,是由于它的极端物感性质:起首,它有与原子核相称的高密度,是天然的极端物态实验室;而这么大质量的物体如斯高速活动,又使其成为极其相对论性的天体。那边的时空情况跟我们所处的非相对论性天体的环境将会有明显的分歧。

蟹状星云及其脉冲星,宋代所载“天关客星&rdquo,趣博;的陈迹。该图与本段文字有关。图片来源:NASA/HST/CXC/ASU/J. Hester et al.

脉冲星的长周期稳固性十分好,有些甚至优于原子钟;但其周期又不是毫无变化:在润滑的脉冲星名义,偶然也会发生一些小型的“地震”,这样的星震会使其自转周期产生渺小的变化。

我们知道,人类之所以可能懂得地球外部分为地壳、地幔和地核的结构,是经过对地震波在寰球传播形式的监测;而脉冲星上的星震怎么发生,异样无望向我们提醒它的实质——脉冲星毕竟是中子星,仍是夸克星?

利用地动波揣度地球外部构造原理示用意。图片来源:石油百科

目前对脉冲星结构的猜想。图片来源:K.C. Gendreau et al. (2012), SPIE

脉冲星直达的尤其快的一族,被叫做毫秒脉冲星:望文生义,它们的周期是以毫秒来计算的。如果有一颗脉冲星恰好位于双星系统中,我们还可以经过观测其脉冲频率的变化,揣测出它在轨道上与错误彼此绕转的情形。

PSR1913+16就是这样一颗位于双致密星系统中的脉冲星,罗素·赫尔斯(Russell Alan Hulse)、小约瑟夫·泰勒(Joseph Hooton Taylor, Jr.)两位天文学家,在休伊什失掉诺贝尔奖的同年,使用阿雷西博望远镜发现。

这个发现太可贵了。两颗致密星彼此绕转时,会激烈搅动四周的时空,以引力波的情势向外发射能量,同时逐步耗费双星体系的势能、使得彼此越来越靠近,绕转速度也会越来越快,丧失能量的速度越来越高。因为广义相对论预言的轨道进动效应,双星之间距离最濒临的时辰也在一直演变,而引力波辐射会给这个时辰带来额定的变化。

因而,只要可以断定双致密星系统轨道的变化进程,就可以测验广义相对论,更令人冲动的是直接的验证引力波的存在——这是在近年来激光干涉引力波技术开展起来之前,我们得以验证引力波存在的一个捷径。

赫尔斯-泰勒脉冲星轨道近星点时辰相对于轨道不衰减情形的累计变化量,和广义相对论引力波辐射对轨道影响的预言(曲线)高度合乎。图片来源:J. M. Weisberg and J. H. Taylor 2004

赫尔斯-泰勒脉冲星就是验证这一料想的幻想试验室。自其发现到90年月初,这对双星的轨道近星点时辰相对轨道不衰减的情况累计有了大概10秒的变更,严厉依照狭义相对论所预言的轨迹演进,轨道周期的变化跟引力波辐射预言高度分歧。

即便在脉冲星周围转的不是大质量的致密星,而是小小的行星,我们也能经过脉冲星信号觉察到它们的存在。实践上,人类发现的第一颗太阳系外的行星,就是经过这种办法发现的。

脉冲星PSR B1257+12行星系统的艺术想象图。图片来源:NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC)

现在,美国激光干预引力波天文台(LIGO)曾经直接探测到引力波的存在,并为三位相关科学家博得了2017年的诺贝尔物理学奖。但脉冲星观测依然有机遇再次在引力波探测范畴一展本领:

当引力波扫过地球周围,它将在较大尺度上同时影响多颗脉冲星流传到地球的信号。如果我们对临近脉冲星的周期坚持临时监测,就无望经过其周期的全体变化规律,探测到扫过银河系这一角的引力波的存在。

脉冲星计时阵列观测引力波。图片来源:David J. Champion

这被称为“脉冲星计时阵列”方式。

这个思绪与LIGO比拟,各有所长:LIGO只能探测比拟高频的引力波信号,而脉冲星计时阵列则专一于极低频的引力波信号:它能探测的引力波频率,比LIGO敏感的频率范围,要低10~12个数量级。

如果我们能完整控制脉冲星周期的变化法则,脉冲星在将来几百年还将有一个主要的利用场景:

当人类的星舰驶向太阳系之外,脉冲星就成了茫茫星海中货真价实的灯塔。经过对脉冲星周期的监测,星舰可以随时把握本身的运动速度,进而推算在宇宙中飞行的坐标。这就是所谓“脉冲星导航”。亿万星斗、亿万荣光,人类巨大理想的完成,没有现今对脉冲星性质的扎实研究,是办不到的。

脉冲星导航艺术设想图。图片来源:德国马普地外物理研究所。图中星舰为电视剧“星际迷航”中的企业号。

“匠”心FAST

FAST望远镜与美国阿雷西博望远镜,是世界上唯二利用喀斯顺便貌中的自然盆地建筑的超大口径射电千里镜。在FAST落成前,阿雷西博望远镜曾经独霸世界最年夜口径射电望远镜宝座50多年,应用其拔群的敏锐度做出了良多严重天文学发现。

阿雷西博望远镜望远镜的口径是305米,但作为一个固定在盆地中的望远镜,它难以经过挪动主镜完成自由四顾,只能经过移动副镜与馈源的方式,接收不同标的目的的电磁波。

阿雷西博望远镜的副镜舱(馈源舱),和用来节制其移动指向的悬架系统。图片来源:David Broad

但阿雷西博望远镜的主镜面是完全固定的球面,成像是不完善的,为了对像差停止纠正,上图所示的馈源舱自身需要对信号做二次、三次反射,复杂的光路让它不得不变得非常粗笨:它重达500多吨。

FAST最大的工程翻新在于,它的主镜面采取了主动面技术,每一块面板都可以在促动器的驱动下上下运动,把镜面从初始的球面形机动地酿成抛物面型,经过主镜的主动变形来完成对天体的跟踪,同时完成对像差的矫正。所以FAST望远镜的馈源舱外观非常简练,没有庞杂的悬架结构,只要用6根柔性索吊着就可以。

FAST望远镜的馈源舱。图片来源:新华社

FAST望远镜的面板促动器,趣博。图片来源:China Daily

当然,饭要一口一口吃,望远镜要一步一步伐。

FAST望远镜在任务时,2225个促动器和6根馈源舱柔性索须要准确、和谐的同时运动,要战胜气象等要素对定位丈量带来的烦扰,在500米的伟大标准上把地位精度把持在毫米数目级,挑衅是宏大的。

所以要想完成自动面跟踪,FAST望远镜至多要完成三个“小目标”:第一步,能让镜面变形到一个特定的外形;第二步,能让镜面连续变形到指定的形状;第三步;能让镜面长时间、持续变形到指定的形状。

现在经由初光一年以来的调试,FAST望远镜曾经完成了第二步,并无望在来岁完成第三步,从而到达设计才能,完成其两到三年调试期的目的,经过国家验收、正式进入畸形运转状况。

能在一年的时间内完成到第二步,还能在技术调试的缝隙中挤点时间发现几颗脉冲星,FAST工程和科学团队可以说是棒棒的,给了我们一个小惊喜。

FAST的主要科学目标除了脉冲星科学,还有其他几项:它想要研究银河系中洋溢的氢原子气体的分布;它想要研究星际分子以及羟基(OH)发射的星际“激光”(脉泽);它想要找到更多未知的星系。

以往在其他望远镜停止这些研究时,会依据不同研究的需要,设计不同的观测方案。但FAST团队的大志是在较短时间内,对FAST可观测区域的全部北天球部门停止完全的巡测,并同时统筹上述四个科学目标,完成高效的科学产出。

巡天范畴:天球赤道坐标系纬度(赤纬)-1到52度。图片起源:国度地理台

对这样雄心壮志的大型巡天来说,FAST在明后年即将具有的及时跟踪能力反而显得有点过剩:我们不是只想看天上哪一块,何须非要跟踪、往返切换目标的折腾,纯属挥霍时间。

我们只有把望远镜对着一个方向,让地球自转带着天体一个个扫过望远镜凝视的方向,就可以坐等望远镜完成这(在天球上指定纬度范围内的)全天巡测——这个计划最高效、牢靠。完成上述天区的扫描,共需要220个观测日。斟酌到同时停止的技术调试所需占用的时间,这项巡天打算需要1到2年的时间来完成。

你见过星轨照片吧,就“坐观其成”而言,差未几是一个意思。

星轨。图片来源:Yuri Beletsky Nightscapes

这样的巡天方式,叫做“扫描巡天”。用扫描巡天观测同时摸索多项科学目标,这是我们正在逐渐树立的世界开创的观测形式。

这项巡天规划,被定名为“FAST多科学目标同时扫描巡天”,英文简称CRAFTS。

Craftsman是“匠人”的意思。CRAFTS巡天,是FAST人的匠心之作。

CRAFTS巡天标记。图片来源:国家天文台

FAST在发展CRAFTS的扫描巡天观测时,每个天体经过望远镜的无效积分时间只要短短数秒。但研究者们预期,在CRAFTS巡天中,FAST仍能凭仗其超强的灵敏度,在曾经被英美等国射电望远镜犁了几十年的北天球,发现数百颗新脉冲星。

我们可以等待,在“脉冲星发现60年”的图表上,将呈现一个巨大的新色块。

它属于FAST,属于老南和一切继承奋战着的FAST人,属于中国,属于世界。