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中国天眼这一新发现,终结天文界持续多年的一场争论

在神怪小说中,主角往往有着奇特的法宝,遇山开山,破障显形,威力无比。现实中,我国也拥有着这样一件堪破迷障,辨明本源的“神器”,天眼(FAST)。这件神器可以观测到离地球几十亿光年的天体,还能够分辨极其微弱的空间讯号,是世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。

Tips:天眼一般指500米口径球面射电望远镜。位于中国贵州省黔南布依族苗族自治州境内,是中国国家“十一五”重大科技基础设施建设项目。

无垠的宇宙中,生活着众多的天体,抬头仰望星空,无数的星子闪烁,看似手可摘星,实际却咫尺天涯。偶尔这些星星会发出一些耀眼的光芒,被望远镜捕捉到,人们就从此处了解宇宙的秘密。

不过,有一些特殊的光芒,却极难捕捉,快速射电暴就是其中的佼佼者。

Tips:快速射电暴Fast Radio Bursts, FRB,是一种神秘的来自银河系外的射电天文现象。持续时间虽短,但却相当于太阳在一整天内释放的能量。

快速射电暴,它的亮度极高十分显眼,但持续时间也是极短,通常只有几毫秒。欧美科学家的望远镜在面对它时,也是束手无策。但我国的天眼却在此,展现了它的无边法力,从茫茫星河中捕捉到它的信号,终结了一场旷日持久的争论。

神秘的快速射电暴

2007年,澳大利亚天文学家在分析2001年被64米射电望远镜纪录的信号时,首次发现了这种毫秒电波。它是一个持续时间很短、但极为明亮的射电脉冲辐射,科学家将这种毫秒闪现的电波形象地称为快速射电暴。

Tips:阿雷西博望远镜,位于美属波多黎各岛的山谷中,是世界上第二大的单镜面射电望远镜。2020年12月,望远镜悬挂的接收设备平台坠落,导致望远镜无法再进行使用。

虽然它仅仅闪现几毫秒,相当于眨一下眼睛,但发出的能量却相当的高。这几毫秒的时间里,它所瞬间释放的能量相当于地球上几百亿年的发电量。

这种神秘的电波,往往在几毫秒的时间后就消失得无影无踪,并且是随机无固定时间出现,偶然性十分强。从2007年首次发现后,它只被探测到了33次。科学家们完全无法测试出快速射电暴的起源。它们是外星人发出的信号,还是来自宇宙的自然演化?总之,快速射电暴的起源与产生已经成为当前天体物理学界的最大谜题。

Tips:天体物理学Astrophysics,既是天文学的一个主要分支,也是物理学的分支之一,它是利用物理学的技术、方法和理论来研究天体的形态、结构、物理条件、化学组成和演化规律的学科。

其实快速射电暴在宇宙中十分普遍,根据澳大利亚科学家Bannister的描述,快速射电暴平均每天有200个左右试图穿越大气层,但只有一小部分能被望远镜检测到,因为它的停留时间太短而传统的射线望远镜的宽度和灵敏度达不到要求,而且绝大多数都是一次性事件,一旦被发现也很难确定到底来自于哪儿。

为了解决这个问题,各国科学家是奇招频出。Bannister的团队在澳大利亚西部安装了36个相同的12米的射线望远镜,组成了澳大利亚平方千米阵探路者。这36个望远镜都含有一个相控阵馈源,使每个蝶形天线都可以一次观测到天空的36个不同区域,每个区域都要比满月大200倍左右。同时还升级了软件以便更快地检测到快速射电暴。这种方法可以将它的来源精确到1/50000的精度,相当于在200外可以检测到头发。

Tips:随着月亮每天在星空中自东向西移动一大段距离,它的形状也在不断地变化着,这就是月亮位相变化,叫做月相。是天文学中对于地球上看到的月球被太阳照明部分的称呼。

美国加州的射电天文学家Vikram Ravi利用快速射电暴亮度极高的特点,设计一种相对不敏感但是宽视场的望远镜来确定它们的来源。他的团队买来10个宽视场4.5米射线天线,组装之后放在加州东部的欧文斯谷内,因为实验成本较低,他们还打算把天线的数量扩大到110根。

2018年3月,澳大利亚的帕克斯(PARKES)天文台的无线电望远镜发现了三次快速射电暴,其中的一次是迄今为止所被记录到的最强烈的快速射电暴。这些信号分别于3月1日、3月9日和3月11日被探测到,并被命名为FRB 180301、FRB 180309和FRB 180311。其中,3月9日的记录(FRB 180309)是有史以来最亮的记录,其信噪比是之前最亮的快速射电暴的四倍。

Tips:帕克斯天文台位于澳大利亚新南威尔士州东南部 - 悉尼以西约225英里处 - 1969年美国登月时三个跟踪站中的一个,其任务是将月球漫步展示到世界各地。

尽管观测到了快速射电暴,但因为大多是不来自同一个地点的,所以关于它们的起源还存在争论。

快速射电暴来源之谜

目前,主流科学界关于快速射电暴的来源,有两种理论假说。一种认为它来自磁星的磁层;另一种则认为,某些致密天体爆发会产生激波,快速射电暴便来源于激波相互作用驱动的辐射,也就是粒子对撞产生的。然而这些理论仍只是假设,快速射电暴的来源仍然是个谜团。

为何它如此难以探寻根源?中国科学院国家天文台研究员韩金林表示:“快速射电暴几毫秒间就消失了,非常难以捕获。因此,这个问题几乎是天文学中最难的问题之一。”

Tips:粒子对撞机的主要作用是积累并加速相继由前级加速器注入的两束粒子流,到一定强度及能量时使其进行对撞,以产生足够高的反应能量。

经过大约10年的探测,天文学家收集了大约150多个快速射电暴的爆发源,通过测量信号穿过星系际和银河系介质的效应,可以断定这些爆发源中的绝大多数不在银河系内。2017年,天文学家捕获到一个毫秒射电暴发,它竟然在几个小时内重复了几次。天文学家利用全世界多台大型射电望远镜联合探测,并利用几毫秒的记录信号进行快速定位,终于将这个重复暴发的快速射电暴的爆发源定位到距离地球30亿光年的一个星系内。

“天眼”出马,一锤定音

过去,由于我国没有大型射电望远镜设备,无法第一时间观测到天体的运行和快速射电波的出现,所以在这个前沿领域的研究中,我国科学家多是侧重于理论研究。直到2016年9月,我国的巨型望远镜,500米口径球面射电望远镜(FAST)进入试运行,我国的科学家赶上了欧美快速射电暴研究的脚步。

Tips:宇宙中的银河系只是一个规模并不是很大的棒旋星系。 在银河的身边就有一个比银河大不少的星系。这就是距离地球254万光年的仙女座星系。

FAST,位于贵州喀斯特洼地中,是我国首个巨型望远镜工程。在1993年国际无线电连大会上,包括中国在内的10国科学家提出建造巨型望远镜的计划,希望在电波环境彻底毁坏前发现宇宙的起源,破解宇宙的奥秘。这也是我国首次提出建造巨型望远镜的计划。

2005年FAST项目通过专家评审,06年确定选址为贵州平塘县大窝凼洼地。11年3月开始动工修建,由我国著名天文学家南仁东任项目总设计师。Fast采用光机电一体化的轻型索支撑馈源平台,在馈源与反射面之间无刚性连接的情况下,实现高精度的指向跟踪。馈源舱内还配置有覆盖频率70兆赫至3吉赫的多波段、多波束馈源和接收机系统。

Tips:如果将馈源舱比喻为一辆在跑道上运动的跑车,美国的做法是将跑道整体架在空中,我们仅是吊起车。此举实现了馈源舱轻型化的目的。

天眼不仅是目前世界上最大的射电望远镜,口径达到500米相当于30个足球场,而且还是最灵敏的射电望远镜,灵敏度是世界第二大望远镜的2.5倍。不仅如此,Fast独特的球面设计还可以通过调节反射面的位置,从而聚焦收到信号,这些铝合金面板就像眼睛一样可以自主转动,从不同的角度观测宇宙。因此被形象地称为“中国天眼”。

“中国天眼”500米的接收面积和超高的灵敏度,使其能够观测到其他望远镜难以察觉的、较弱、较短的脉冲辐射信号。简直是研究存在时间短、辐射信号弱的快速射电波的不二之选。

Tips:2017年10月“中国天眼”新发现两颗脉冲星发出的声音类似婴儿的心跳。从脉冲星传出来的脉冲信号被科学家探测到,又被转化成的音频信号,从而可以被我们听到。

2019年我国国家天文台李菂、朱炜玮研究团队在观测天体时,偶然观测到了一个快速射电波,FRB180301。这个快速射电波在2018年3月1日被澳大利亚科学家首次观测到,科学家们十分开心,因为多数快速射电波都是单次爆发,如果能够再次发现这个射电波,就可以对它爆发时产生的偏振进行重复比对确定它的来源。在团队成员的期待中,2019年7月16日,这个快速射电波又一次进入了fast的观测范围,并且探测到了它的4次爆发。

Tips:偏振光polarized light ,光学名词。光是一种电磁波,电磁波是横波。而振动方向和光波前进方向构成的平面叫做振动面,光的振动面只限于某一固定方向的,叫做平面偏振光或线偏振光。

团队因此受到了极大的鼓舞,正想一鼓作气接着观测,却在9月的例行观测中,完全没有收到射电波的辐射信号。团队成员经过研究后,发现是澳大利亚方面报告的爆发点位置有误差,随后调整望远镜的位置,将其对准爆发点,并记录偏振信号。在同年10月6日和7日,FAST在6个小时内探测到11次暴发。在之后共计12个小时的观测时间中,FAST探测到了15次暴发,每次电波闪现的强度曲线也各不相同。

经检测,FRB180301比07年最先发现的来自银河系外的快速射电波强度要弱很多,但两个射电波的距离和射电爆发率类似。更重要的是,在对这来自同一射电源的15个偏振信号进行对比时,发现它们的偏振变化形式非常多样,相互之间的区别远大于误差限制。

Tips:银河系Milky Way Galaxy,是太阳系所在的棒旋星系,呈椭圆盘形,具有巨大的盘面结构。银河系的恒星数量约在1000亿到4000亿之间。

Fast观测到的这种情况表明:宇宙中的快速射电波的起源很可能是致密天体磁层中的物理过程。这个观测结果直接否定了国际上一些认为快速射电波是来自于粒子冲撞的假说,为10年来学界关于快速射电波起源的争论一锤定音。

2020年《科技日报》上北京大学教授、中国科学院国家天文台研究员李柯伽说:“我们认为,快速射电波是由自然的天体物理过程产生的。根据探测的辐射特征和观测特性,我们觉得它应该来自磁星的磁层。

磁星发出的射电波,由于观测的位置不同,可以得到不同的相对位形,导致观测到的偏振角,可以有多种的变化。而粒子碰撞造成的射电波的偏振角相对固定。

Tips:磁星是宇宙中一类致密天体,周围有着强大的磁场。磁星的表面会喷射耀斑粒子,之后以极快的速度与周围的碎屑发生碰撞,形成一个高度磁化的高温大漩涡,释放出高能X射线和射电波。

我们得到的观测结果,这些来源于同一个射电源的不同的偏振信号,它们的偏振变化都各不相同。2020年《自然》期刊上,这个经由fast观察得出的论文,一经发布,就终结了天体物理学界关于快速射电暴起源的争论。

磁星与快速射电暴的联系

2020年4月为了进一步了解磁星与快速射电暴的联系,我国北师大的林琳博士提出了利用FAST观测银河系磁星SGR J1935+2154软伽马射线重复暴源(SGR)的申请。因为快速射电暴在爆发时,通常也会伴随着伽马射线和X射线,所以可以把观测的磁星的伽马射线频段与快速射电暴的伽马射线进行比对,可以进一步证明它们之间的联系。

Tips:伽玛射线暴Gamma Ray Burst,缩写GRB,又称伽玛暴,是来自天空中某一方向的伽玛射线强度在短时间内突然增强,随后又迅速减弱的现象。

在本次观测中不仅是fast的观测,还结合之前加拿大氢强度测绘实验(CHIME)望远镜和暂现射电天文辐射巡天2(STARE-2)的探测,FAST实现了对重复暴源的覆盖,在整个磁星的伽马射线中,有8个快速射电波。观测结果显示,快速射电暴与软伽马射线重复暴源有微弱相关性。

结语

随着科学的进步,人类对宇宙的了解逐渐加深,“中国天眼”作为我国研究天文的重要设备,为我国的天文事业打下了坚实的基础。常说“工欲善其事,必先利其器”天眼就是,我国研究宇宙奥秘的利器,如今只是小试身手就解决了困扰学界多年的疑难,在未来必将带领我国天文学走上世界的顶端。

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来自:昵称tfKn5  > 科学技术
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世界各地的望远镜接收到来自我们银河系的神秘射电爆发
看完这几篇'外星人'10w ,科学家坐不住了
天文学最大的谜题之一:FRB!
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