被譽為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠鏡FAST，其原創(chuàng)成果在過去一周已經兩度登上國際頂尖學術期刊《自然》。

在廣袤的宇宙中，經常有一束神秘無線電波襲來。雖然它僅僅閃現(xiàn)幾個毫秒（1毫秒=1‰秒），也就是蒼蠅煽動一次翅膀的時間，但它瞬間釋放的能量卻可以達到1038erg(爾格，能量單位），相當于地球上幾百億年總的發(fā)電量。2007年，天文學家在分析澳大利亞64米射電望遠鏡2001年記錄的信號中首次發(fā)現(xiàn)了這一閃現(xiàn)只有幾毫秒的無線電波（學名快速射電暴，簡稱FRB）。

不過，這一神秘電波從何而來？如此快速閃現(xiàn)的無線電波包含了什么信息？它會不會是外星人發(fā)來的“信號”？過去十幾年，全世界各地的天文學家們一直收集信息，試圖揭示其中真相。

向著科學的高峰努力攀登，如今，中國“天眼”（FAST，全稱500米口徑球面射電望遠鏡）最新的觀測揭示了這一神秘電波爆發(fā)的物理機制，相關研究成果的兩篇論文近日發(fā)表于國際科學期刊《自然》雜志。

二十余年鑄一“鍋”

它能在雷聲中辨出蟬鳴

這些距離地球幾億光年之外的神秘電波，它們究竟是銀河系內致密星體發(fā)出的，還是宇宙深處的劇烈爆發(fā)引起的？

2007年人類首次偵測到這一神秘電波后，經過大約十年的探尋，天文學家們收集了30多個爆發(fā)源，發(fā)現(xiàn)它們在天空幾乎是隨機分布的，因此斷定這些毫秒閃現(xiàn)源中的絕大多數(shù)不是銀河系內的天體發(fā)出的。

既然如此，它們從哪兒來？天文學家的探索在2017年有了新的進展：這一年，他們捕獲了一個神秘電波，它竟然在幾個小時內重復了幾次。利用世界多臺大射電望遠鏡聯(lián)合探測并利用記錄幾毫秒的信號進行快速定位，天文學家終于將一個重復爆發(fā)的無線電波快速閃現(xiàn)源定位到宇宙深處30億光年之外的一個星系里。

眾所周知，天文學是極度依賴觀測設備的一門科學。遺憾的是，因為沒有大射電望遠鏡，觀測的靈敏度不夠，無法拿到第一手資料，中國天文學家過去在這個前沿領域，只能做理論研究。

工欲善其事必先利其器?！敖ㄔ煨乱淮潆娡h鏡，這是一個必須抓住的機會！”上世紀九十年代，時任北京天文臺副臺長的南仁東等老一輩天文學家提出建設中國“天眼”的構想。

二十余年鑄一“鍋”，2016年FAST竣工，無可爭議地成為當今世界上最靈敏的射電望遠鏡：其靈敏度是目前全球第二大單口徑射電望遠鏡的2.5倍以上，睜開“銳眼”的FAST能接收百億光年外的電磁信號。曾有專家形象地說，“它靈敏到可以在雷聲中分辨出蟬鳴。”

FAST立功

兩大門派爭鋒，它一錘定音

在2019年嘗試性的開放觀測中，由北京大學李柯伽研究員、國家天文臺韓金林研究員和美國內華達大學張冰教授領導的研究團隊希望利用FAST觀測一個澳大利亞2018年3月1日探測到的快速射電暴爆發(fā)源FRB 180301，看看這個源是否會重復爆發(fā)。幸運的是，2019年7月16日的2小時觀測如愿探測到了4次爆發(fā)。此后，研究團隊調整觀測策略，在2019年10月6日和7日，F(xiàn)AST又在6個小時內探測到11次爆發(fā)。統(tǒng)計下來，在共計12個小時的觀測時間里，F(xiàn)AST探測到15次快速射電暴閃現(xiàn)，每次閃現(xiàn)的強度曲線各不相同。

“這個爆發(fā)源與2017年發(fā)現(xiàn)的那個30億光年外的爆發(fā)源距離類似、無線電爆發(fā)率類似，但強度要暗弱很多。”讓中科院國家天文臺研究員韓金林更興奮的是，F(xiàn)AST觀測的11個爆發(fā)信號中，居然有7個毫秒閃現(xiàn)爆發(fā)能夠很好地解析出其偏振，而且這7個偏振不僅僅是變化的，還呈現(xiàn)出變化的多樣性。如此變化的偏振在早先的重復快速射電暴中從來沒有看到過。

這意味著什么？

關于快速射電暴的起源機制，此前眾說紛紜：從超新星爆發(fā)到中子星合并，從黑洞吞噬星體到磁星星震等等，甚至有人還認為是外星智慧生命向地球發(fā)射的無線電信號。

“而FAST觀測到的偏振變化多樣性明確說明，宇宙中的快速射電暴可能來自致密星體磁層中的物理過程。”在韓金林看來，這個觀測結果直接否定了一批國際學者關于快速射電暴起源于粒子沖撞的理論，為近幾年致密星磁層起源和爆發(fā)物質激波撞擊起源的兩大門派理論爭鋒給出了直接裁定。

該研究成果的論文已于北京時間2020年10月29日凌晨發(fā)表于《自然》雜志。這是中國建造的射電望遠鏡第一次在靈敏度這個重要指標上占據(jù)了世界的制高點，它大大拓展了人類的視野，也使中國的天文學家終于有機會走到人類視界的最前沿。

另一項北京時間11月5日凌晨在線發(fā)表于《自然》的研究論文亦與快速射電暴有關。

2020年4月，北京師范大學林琳博士、北京大學張春風博士、國家天文臺王培博士等聯(lián)合研究團隊利用FAST對銀河系磁星（高度磁化的特殊中子星）軟伽馬重復暴源SGR J1935+2145進行了多波段聯(lián)合觀測。

觀測結果表明高能波段的暴發(fā)與射電波段的FRB幾乎沒有相關性，說明磁星產生高能爆發(fā)時不能產生掃過地球的FRB。

FAST與世界上的其它望遠鏡也探測到了射電FRB。內華達大學教授張冰（論文通訊作者）認為，“SGR J1935的觀測結果表明磁星很可能是絕大部分FRB的起源，盡管不能排除其它起源的可能?！?/p>

“目前，F(xiàn)AST正在對SGR J1935+2154及其他一系列FRB源展開持續(xù)監(jiān)測。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。”在北京大學李柯伽研究員看來，F(xiàn)AST測量結果對研究快速射電暴的起源和物理機制，將起到重要的推動作用。

多面小能手

還能探測脈沖星、引力波

除了是快速射電暴“捕捉小能手”，F(xiàn)AST迄今已協(xié)助我天文學家發(fā)現(xiàn)脈沖星數(shù)量超過240顆。其中一顆是在球狀星團M13中發(fā)現(xiàn)的新脈沖星，它是一個脈沖雙星，也是一個典型的“黑寡婦”系統(tǒng)。在球狀星團M92中發(fā)現(xiàn)的則是一個具有掩食現(xiàn)象的毫秒脈沖雙星，這是在M92中發(fā)現(xiàn)的第一顆毫秒脈沖星，密近的軌道和較大的伴星質量預示著伴星的物質正在被脈沖星吸積。借助FAST的高靈敏度，伴星及其星風的遮擋帶來的脈沖星信號掩食現(xiàn)象和伴星星風導致的脈沖星信號到達時間延遲都能被清晰觀測到。具有這些特殊現(xiàn)象的脈沖雙星在天文學中稱為“紅背蜘蛛”系統(tǒng)。該發(fā)現(xiàn)被美國天文學會選為亮點研究成果。

不僅如此，被寄予厚望的FAST還有另外一個重要用途：探測低頻引力波。

2016年2月，LIGO合作組宣布首次直接探測到廣義相對論預言已久的引力波之后，對引力波的探測已經成為天文學界的熱門話題。

通過對毫秒脈沖星的長期監(jiān)測，選取一定數(shù)目的毫秒脈沖星組成計時陣列，可以探測來自超大質量雙黑洞等天體發(fā)出的低頻引力波。李柯伽研究員說，“受益于FAST超高靈敏度，我們已經將脈沖星的測時精度提升至少一個數(shù)量級”。這有望使我們首次具備納赫茲引力波的探測能力。

“可以說我們已經走在‘出大成果’的攀登之路上?！敝袊茖W院院士、天體物理學家武向平表示。（經濟日報經點科學工作室 沈慧）

原文標題：中國“天眼”揭開宇宙神秘電波的面紗

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責任編輯：haq