“中國天眼”饋源艙
新華社記者 歐東衢攝

“中國天眼”全景
新華社記者 歐東衢攝

在廣袤的宇宙中，經(jīng)常出現(xiàn)短暫而猛烈的無線電波爆發(fā)，持續(xù)時間通常僅有幾毫秒，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，并對其展開了探索研究。通過快速射電暴周邊環(huán)境的復(fù)雜程度，科學(xué)家可以確定其所處的演化階段，并揭開快速射電暴的起源之謎。

過去，由于沒有自己的大射電望遠(yuǎn)鏡，在這一領(lǐng)域中，中國科學(xué)家大多只能從事理論研究。隨著“中國天眼”——500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）正式運行，快速射電暴領(lǐng)域的中國力量迅速崛起，研究成果頻出。近日，中國科研團隊通過“中國天眼”觀察并計算出快速射電暴的起源證據(jù)，并于3月18日刊登于國際權(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)家能夠觀測到的95%左右的快速射電暴都是只出現(xiàn)一次便銷聲匿跡。2017年，天文學(xué)家捕獲到一個毫秒無線電波爆發(fā)，在幾個小時內(nèi)重復(fù)多次。利用世界多臺大射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合探測和定位，終于將一個重復(fù)爆發(fā)的無線電快速閃現(xiàn)源定位到宇宙深處30億光年之外的星系里。

之江實驗室研究專家馮毅表示，快速射電暴的起源有眾多理論模型，但缺乏觀測證據(jù)。中國科研團隊的研究通過關(guān)鍵觀測證據(jù)證明，重復(fù)快速射電暴處在類似超新星遺跡的復(fù)雜環(huán)境中。

中國天眼首席科學(xué)家、中科院國家天文臺研究員李菂說，基于FAST等多項數(shù)據(jù)，中國科研團隊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，通過偏振觀測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)鍵觀測證據(jù)。

李菂表示，這項工作充分結(jié)合了“中國天眼”的高靈敏度優(yōu)勢和國際熱點前沿的豐富觀測資源。依托“中國天眼”FAST、美國綠岸望遠(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等全球先進射電望遠(yuǎn)鏡，中國研究團隊測量了5個快速射電暴，加上對國際最新研究結(jié)果的總結(jié)，共獲得21個快速射電暴樣本。其中，樣本中的重復(fù)快速射電暴均滿足研究團隊提出的理論解釋。

“‘中國天眼’的持續(xù)深度監(jiān)測結(jié)合其他先進設(shè)備，有望在未來回答關(guān)于快速射電暴起源的一系列關(guān)鍵問題。”李菂說。

拉開中國射電大科學(xué)裝置從追趕到超越的序幕

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

觀測快速射電暴，“中國天眼”很有優(yōu)勢?！爸袊煅邸本酃饷娣e巨大，電波收集能力超強，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“中國天眼”的觀測，中國科學(xué)家近年來在快速射電暴研究領(lǐng)域取得一系列重大成果。

2020年，中國科學(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)、國家天文臺王培等聯(lián)合研究團隊利用“中國天眼”觀測到銀河系中有一顆已知磁星SRG1935+2154呈現(xiàn)出幾十次伽馬射線爆發(fā)，這是人類首次在銀河系內(nèi)觀測到快速射電暴。

2021年，一篇關(guān)于“中國天眼”捕獲世界最大快速射電暴樣本的研究成果入選2021年度中國科學(xué)十大進展。國家天文臺李菂、王培、朱煒瑋領(lǐng)導(dǎo)的國際合作團隊利用“中國天眼”對快速射電暴FRB121102進行觀測，在約50天內(nèi)探測到1652次爆發(fā)事件，超過此前本領(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’的絕對靈敏度，在射電探測源方面具有重大潛力，拉開了中國射電大科學(xué)裝置從追趕到超越、一覽宇宙千里江山的序幕?！蓖跖嗾f。

開放共享，深化人類對宇宙的認(rèn)知

“中國天眼”正式運行兩年多來，運行效率和質(zhì)量不斷提高，年觀測時長超過5300小時，遠(yuǎn)超國際同行預(yù)期的工作效率，為科學(xué)產(chǎn)出起到重要支撐作用。

事實上，不僅是在射電天文領(lǐng)域，“中國天眼”已在多個研究方向產(chǎn)出科學(xué)成果，深化著人類對宇宙認(rèn)知。

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

去年3月31日，F(xiàn)AST正式向全球開放共享，向全球天文學(xué)家征集觀測申請。中國科學(xué)家與國際科學(xué)界攜手探索浩瀚宇宙，共創(chuàng)人類美好未來。目前，已有來自14個國家（不含中國）的27份國際項目獲得批準(zhǔn)，并于2021年8月啟動科學(xué)觀測。

中國科學(xué)院副院長、黨組成員周琪說，F(xiàn)AST運行更加穩(wěn)定，效率進一步提升，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，“中國天眼”已經(jīng)進入到多出成果、出好成果的新階段。

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