“天眼”遙望脈沖星

文_張承民 圖_當代貴州全媒體記者 / 李森

截至7月30日，“中國天眼”FAST已經探測到59顆優質脈沖星候選體，其中已經有43顆得到國際認證。中國天眼FAST將引領世界進入一個萬顆脈沖星研究、刷新宇宙認知的新時代。

2017年10月，中國科學院科學傳播局和國家天文臺聯合發布了我國500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）取得的首批科研成果，其中包括新發現兩顆脈沖星，這是我國射電望遠鏡首次新發現脈沖星，實現了中國天文學在該領域零的突破。

截至7月30日，FAST已經探測到59顆優質脈沖星候選體，其中已經有43顆得到國際認證。不僅如此，今年2月，FAST探測到有史以來最暗弱的毫秒脈沖星，這顆脈沖星是其他國家很多射電望遠鏡沒有看到的。這充分證明FAST在探測靈敏度方面的巨大優勢。

審視中國天眼取得這些基本成就的背后，有哪些值得回味的話題？未來國際脈沖星研究將進入一個怎樣的時代？本文借此窺視一斑。

遠離電磁污染的靜默區

天眼地處貴州黔南的喀斯特洼地，這是得天獨厚的無線電屏蔽安靜山谷，使得射電噪聲干擾降低到最低限度，這在全球日益電磁泛濫的時代，如此優良的天然低電磁環境可謂難能可貴。青山綠水、電磁寧靜、強制保護，這是FAST望遠鏡成為一流大科學裝置的必要條件。

由于射電望遠鏡易受外界電磁輻射干擾，對電磁波環境要求極高。2013年貴州省人民政府審議通過《貴州省500米口徑球面射電望遠鏡電磁波寧靜區保護辦法》，之后又通過了《黔南布依族苗族自治州500米口徑球面射電望遠鏡電磁波寧靜區運行環境保護條例》，覆蓋貴州3個縣和廣西3個市，包括貴州黔南州平塘、羅甸、惠水三個縣以及廣西壯族自治區柳州、河池、白色三個市，這標志著全國首部射電天文望遠鏡電磁寧靜區運行環境保護法規的生效。

以平塘縣大窩凼射電望遠鏡臺址為圓心，在半徑5公里區域內，嚴禁設置、使用無線電臺，嚴禁建設產生輻射電磁波的設施；在半徑5至30公里區域內，經論證對射電望遠鏡正常運行構成干擾的設施不得建設。同時，任何單位和個人不得占用國家為開展射電天文業務所劃分的頻率。貴州省嚴格執行了天眼周邊的無線電保護條例，為保障大射電正常運行不受干擾，關閉了影響射電環境的基站、礦山、企業。設立旅游項目適度開發區，嚴格控制“中國天眼”每天2000人次的最大承載量，嚴禁游客攜帶任何電子產品進入保護區，嚴禁工作人員攜帶任何干擾設備到靜默區。

如此一來，天眼周邊就成了名副其實的“凈土”，這片青山綠水遠離了電磁污染。

提升測量精度

大窩凼的大氣不均勻性及溫度、濕度分布極特殊，對于望遠鏡反射面的活動面板和接收機系統進行實時測量會產生影響。數據表明，FAST現場的折光系數達到了1.8左右，遠大于全站儀測量系統默認的折光系數0.13，所以必須進行基準修正。

經過研究人員不斷的調試，測量精度不斷優化和提升，望遠鏡的性能也得到明顯改善。目前FAST可以實現完美的聚焦，完成天眼的視力校正，漂移觀測的指向精度已經達到10角秒水平，可以實施脈沖星觀測。

目前FAST安裝了19波束接收機，已經完成安裝調試。它可以將望遠鏡的視場擴大19倍，從而大幅地提升望遠鏡的巡天效率，預期可以發現更多脈沖星。實現FAST設計的靈敏度，就要知道反射面的精度、饋源的控制精度、系統噪聲要控制精度、每一部分還分解到下一級精度，例如測量精度、控制精度、制作精度、安裝精度等等。這些精度的提升是望遠鏡做出世界一流發現的基礎。

一個天文研究新時代的來臨

自1967年發現脈沖星以來，50年間已取得了許多矚目的成就。天文學家已經觀測到2800多顆射電脈沖星，至今已積累了一大批寶貴的資料，同時也存在不少現象和問題還沒有從原理上認識清楚。

隨著FAST大型裝置的成功運轉，人類必將逐步揭示脈沖星所帶來的一系列宇宙新問題。截至目前，天文學家已經觀測到18對雙中子星系統，這是驗證愛因斯坦引力波預言的天然實驗室。但還沒有發現脈沖星—黑洞雙星系統，FAST有望在未來探測到這類奇特雙星，由此高精度檢驗愛因斯坦理論和揭示宇宙奧秘。

脈沖星的研究涉及到許多學科的基本問題，它與現代物理中的等離子體物理、廣義相對論、基本粒子、核物理、超導超流、中微子和引力波等密切有關。另外，脈沖星在恒星演化和終結的研究中也占有特殊的地位，所以脈沖星研究支撐著多信使、多波段、多學科、多裝置的全球龐大科學體系，成為當今天體物理學最活躍的領域之一。

預計未來FAST可以發現5000顆新脈沖星， 加上國際望遠鏡的共同努力，一個萬顆脈沖星新時代正在到來，人類認識宇宙將邁上新臺階。圖為中國“天眼FAST”。

已知的毫秒脈沖星最快自旋周期是1.396 毫秒，低于10毫秒的脈沖星有300多顆。根據理論計算，最快的脈沖星周期可以達到不足1毫秒，如果能探測到這類亞毫秒脈沖星，其質量將較大、半徑較小，使得其物態很有可能是夸克物質，這將是核力起主導作用的一種新天體。還有，銀河系以外脈沖星的探測也將作為FAST未來觀測的重點，隨著FAST射電望遠鏡靈敏度的提高，探測其他星系短時間內產生巨脈沖信號脈沖星也成為可能，這對于研究脈沖星奇特的輻射機制非常有利。另外，對于一些年老的脈沖星，其輻射的流量較低，星體自旋周期大于10秒，這是難于發現的一類脈沖星。在FAST高靈敏度的前提下，探測年老脈沖星變為可能，這對于研究脈沖星晚期演化特性是至關重要的。預計未來FAST可以發現到5000顆新脈沖星，加上國際望遠鏡的共同努力，一個萬顆脈沖星新時代正在到來，人類認識宇宙將邁向新臺階。

總之，可以預知的脈沖星觀測將突破原有的樣本數目，各種新型脈沖星天體將不期而至，我們正在迎接一個中國自主大科學裝置發現時代的到來。中國科學正在經歷換道超車，可以樂觀地預見，“中國天眼”將引領世界進入一個萬顆脈沖星研究、刷新宇宙認知的新時代。