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发表于 2023-2-24 17:24:30
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知友们,大家好!很高兴有机会分享中国天眼FAST近期科学进展,也感谢大家对FAST和射电天文的关注。
我们所研究的天文学一方面关注宏大的星系宇宙,一方面又和微观物理挂钩,两者相辅相成。粒子物理还原论视角往往寻找世界基本组成单元,在我们生活的尺度下,起主导作用的只是广义全同粒子间的引力和电磁力,而粒子间究竟又是怎样通过几种相互作用,进而演生出宇宙大千各种物质相和丰富多彩的天文现象,这其中规律复杂性,又不是还原论可一语囊括的,这让我意识到天体物理的广博,深刻和优美之处。
天文学是门观测科学,具有很高的仪器技术门槛,中国天眼FAST的高灵敏度大步迈过了观测技术门槛,才使中国射电天文学者立足国内设备做重大、基础、突破性的科学梦想成为可能。FAST自2020年1月正式投入科学运行以来,已经陪我们走过了1000多个日夜。借助这台人类有史以来建造的最灵敏的单天线射电望远镜[1-3],巡天观测和数据中的科研探索宛如《一千零一夜》秘境历险般曲折生动又令人心醉流连。我和身边越来越多的人开始做起看似天方夜谭但任重道远的事情。
脉冲星
首先我想为大家分享FAST在脉冲星方面的进展。脉冲星自1967年发现以来[4],已经历了56年的研究,目前各类脉冲星已发现了超过3300颗[5]。所谓脉冲星,我们可以简单的理解为高速旋转的中子星,他们就像是宇宙中的灯塔在时时刻刻辐射电磁波,如图1所示。然而,这近60年以来,其辐射机制仍众说纷纭。这就需要我们发现更多奇特的脉冲星,从他们身上找到解决问题的突破口。如今,FAST望远镜正在进行的多项巡天观测和研究,已经发现超过700颗新脉冲星[6, 7],其中不乏有趣的样本。例如,有些自转非常快(毫秒脉冲星),有些具有伴星(双星脉冲星),甚至有些时断时续的辐射行为(旋转射电暂现源)。相信未来FAST能发现更多奇特的脉冲星,比如亚毫秒脉冲星、态转换脉冲星等等。这将为我们解释辐射机制、中子星物态、强相互作用性质等重要物理问题提供绝佳的样本,甚至可以为日后人类探测低频引力波[8]乃至进行星际航行[9]打下基础。
图1. 脉冲星灯塔模型(拍摄于北京天文馆)
FAST脉冲星发现列表:
http://zmtt.bao.ac.cn/GPPS/GPPSnewPSR.html
http://groups.bao.ac.cn/ism/CRAFTS/202203/t20220310_683697.html
https://fast.bao.ac.cn/cms/article/65/
快速射电暴
快速射电暴(Fast Radio Burst, FRB)与前文所述的脉冲星有着千丝万缕的联系,他们都呈现出脉冲形状的信号。十六年前平常的一天,一名美国西弗吉尼亚大学的研究生在分析澳大利亚Parkes望远镜的脉冲星历史数据时,发现了一个明亮的脉冲信号(图2左),他将这个发现交给了他的导师——天文学家Lorimer。几个月之后,《科学》杂志上的一篇文章引起了射电天文界的广泛关注,这便是有关FRB系统研究的开端[10]。FRB可谓是如今天文学的热点和前沿领域[11],不仅因为FRB起源和机制至今仍是未解之谜,其特殊辐射现象的背后还可能隐藏着新物理机制。FRB特殊之处正如其名,我们可以将其分成三部分来理解,快速-射电-暴。快速指的是持续时间很短,一般只有几个毫秒;射电指的是,在长波无线电波段观测到的;最后,暴在天文中一般指的是短时间内大量的能量释放过程,而一次剧烈的FRB相当于太阳几年的能量释放总和。如此猛烈的爆发现象,由于距离我们非常遥远(大多是来自银河系之外),在近十几年才被天文学家关注到的。
在随后的十几年中,FRB领域的发展经历过惊喜也遭受过挫折,例如“微波炉事件”就一度使得FRB沦为天文学家眼中的乌龙[12](图2右)。好在进一步的观测,打消了科学家们心中的顾虑[13-15],如今FRB这一天文子领域正在快速发展,新的观测很可能取得突破性成果,对本领域发展起到关键贡献。仅《自然》和《科学》期刊,关于报导快速射电暴新的观测突破文章多达二十余篇。我们团队成员也作为一作和主要作者参与到多篇自然和科学的工作中。(如图3)。
图2. 左:2007年Lorimer团队发现的FRB(Lorimer et al. 2007);右:微波炉乌龙事件发现的人造信号(Burke-Spolaor et al. 2010)
图3. FRB领域代表性进展图(图源:天文爱好者杂志)
下面我向大家重点分享关于FRB的观测研究,这也是我最近参与较多的课题。虽说FAST望远镜在FRB观测研究中算是后来者,但在近些年的研究进展上大放异彩,真正做到后来者居上。凭借FAST历史最高的灵敏度优势,国家天文台李菂研究员领导的团队对FRB 20121102A进行了跟踪观测,共探测到了1652个爆发(图4),成为当时世界上最大的FRB重复暴样本集[16]。并且我们首次发现该源具有双峰能量分布,这表明可能存在着多种辐射机制。因此,这一发现入选2021年度中国科学十大进展。
图4. FAST发现FRB 20121102A爆发能量存在双峰分布(Li et al. 2021)
2022年,我们探究 FRB的脚步没有停下,FAST的FRB观测又有了新进展。李菂研究员团队对FAST新发现的重复暴FRB 20190520B进行了后续观测,发现这个FRB源具有非常罕见的持续活跃性,并且在该源旁边存在一个与之成协的致密持续射电源[17](图5)。同时,该源也是目前唯一一个持续活跃的FRB,以及迄今第二个有持续射电源对应体的FRB。这意味该FRB可能处在一个变化非常剧烈的环境中,或是正处自身非常活跃的年轻阶段。随后,得益于FAST快速射电暴优先及重大项目,北京大学李柯伽教授领导的合作组对重复暴FRB 20201124A进行了定点跟踪观测,共探测到1863个脉冲,获得了迄今为止最大的FRB偏振样本[18]。该团队发现,在跨越了54天的观测中,首次发现该FRB在72小时内从高事件率到突然熄灭的猝灭现象,首次探测到与之前所有FRB都显著不同的高圆偏振度脉冲,并且还发现法拉第旋转量的短时标演化以及偏振度随着电磁波波长振荡的现象。这些特征表明该FRB所处的环境是极为复杂并且动态演化的。
图5 对FRB 20190520B的多波段定位(Niu et al. 2022)
天文现象的重要性往往体现在其背后的物理属性,而这些特殊的FRB,为我们研究其的起源和机制提供了难得的样本。凭借这些丰富的观测,我们就可以对这些FRB进行统计研究,并分析他们的共性或是不同,进而探究其物理特征。李菂研究团队通过使用FAST数据,并协同美国GBT、VLA等多台望远镜对一批重复FRB的偏振特征进行了系统分析,结果发现FRB信号的偏振特征是存在变化的,甚至不同重复FRB的线偏振度存在着随频率降低而降低的统一趋势[19],如图6。这表明FRB信号在经过其周边环境时,会发生复杂的等离子体多路径散射,因此FRB可能处在类似超新星遗迹的复杂电离环境中。基于此观测和统计结果,我们首次提出了能够统一解释重复FRB偏振-频率演化的机制,并且给出了定量化的描述参数“RM弥散”。弥散值越大表明周边环境越复杂,变化越剧烈,更可能来自年轻的天体。因此,通过使用这个参数,我们可以将FRB的偏振信息用于判断FRB周边环境及其演化阶段,乃至可以用于辨识FRB重复暴和非重复暴。所以这个特征,可以称得上是FRB的“身份证”,将为最终确定FRB的起源提供关键证据。
图6. 线偏振度随频率的变化趋势图(Feng et al. 2022)
尽管天文学家们仍在推进,奈何FRB起源和机制依然云遮雾绕,其起源可能其仅产生自磁陀星等一两类天体,也许是多类型起源,但其背后的物理机制必然有特定联系或相似之处。我们似乎正一步步揭下FRB神秘面纱,然而游山未至山穷处,终被青山碍眼睛,这个过程注定不会一帆风顺,正因如此,探索其移步换景中横看成岭侧成峰所一路观瞻的自然、宇宙的壮阔和多样性,才会如此引人入胜。未来已至,FAST正在联手国际上多波段天文台开展观测,逐渐解读FRB奥秘,不断扩展人类的知识边界。
中性氢谱线
FAST不仅在FRB的动态宇宙研究领域大显身手,在中性氢(HI)谱线的观测中也有突破性的发现。我们知道,氢是宇宙中最常见的元素,比如氢在太阳中的占比就超过70%,而中性氢是氢原子在宇宙中的主要形态之一。当这些原子内的电子和质子因碰撞等原因而发生跃迁时,就会发射出波长约21cm(频率约是1.4GHz)的电磁波(谱线)。该辐射是示踪星系结构、运动和演化的有力工具。恰好这个波长在FAST的观测波段内,因此在立项之初中性氢谱线就成为重点关注目标。
2022年,李菂研究员团队中的庆道冲博士后使用原创的中性氢窄线自吸收(HINSA)方法,测量星际介质的塞曼效应,实现了分子云磁场探测从0到1的突破(图7)[20]。这一发现将恒星形成的时间减少到百万年量级,对于我们理解恒星演化等天体物理过程至关重要。此外,国家天文台徐聪研究员领导的国际团队利用FAST对斯蒂芬五重星系及周围天区的氢原子气体谱线进行了成像观测,发现了迄今为止在宇宙中探测到的最大的原子气体结构(图8)[21]。这些成功均显示出FAST的高超观测能力,以及在解决重大天体物理问题方面的潜力。
图7. 中性氢窄线自吸收方法测量星际介质的塞曼效应,《自然》杂志封面图(Ching et al. 2022)
图 8. 斯蒂芬五重星系团的HI发射等高线图(Xu et al. 2022)
人们常把物理看作是一套基本概念和原理的枯燥理论,但这是发展完善并总结好的教科书。实际上在科学探索中的我们常常不用这种教条方式思考问题。相反,未知领域探索的惯用科研思考方法是使用尽量少的概念和尽量少的假设达到尽量多的测量,同时也使用尽量少的数学完成尽量多的结果,即便这些概念可能并不完全正确。不论是探索极端的致密天体,还是神秘的河外辐射现象,抑或飘渺的星际云团,现象一直都是物理学的根源,而面对未知的好奇心则是科学发展的永恒内驱力。正如莎翁名篇《哈姆雷特》中的金句一样“即使被关在果壳之中,我仍自以为无限空间之王”,凭借着我国大科学装置日益精进的观测手段和数据,我们也正在拼凑和推演宏大的宇宙叙事。FAST望远镜作为观天利器,相信在不久的将来它会实现南仁东老师“FAST是中国射电天文从追赶到超越的一次尝试”的殷切期望,也会如曾经的阿雷西博望远镜一样走在人类探索自然的最前沿,为我们带来更多崭新的发现。
图9. 工作中的中国天眼FAST望远镜(由机械胶卷相机拍摄)
参考文献
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