中國脈沖星觀測研究的發展歷程

1967年發現脈沖星轟動世界。發現者之一的休伊什獲得1974年諾貝爾物理學獎。隨后脈沖星的觀測研究成為國際最熱門的研究領域之一。當時我國天文界無人問津，直到1976年才有關于脈沖星的研究論文發表，而脈沖星的觀測研究一直處于空白狀態。

拉開脈沖星觀測研究的序幕

1988年我到澳大利亞使用Parkes的64米射電望遠鏡觀測脈沖星很成功，獲得南天脈沖星偏振觀測最大的一個觀測樣本，隨后發表了3篇觀測結果的論文。合作者曼徹斯特（R. N. Manchester）教授是澳大利亞國家射電天文臺的首席科學家，萊恩（A. G. Lyne）教授是英國焦德爾班克射電天文臺臺長，后來他們都成為了各自國家科學院的院士。

這次觀測工作的成功打開了中國學者利用國際大型射電望遠鏡觀測脈沖星的大門。我開了眼界，學到很多知識和技能。1990年，北京天文臺15米射電望遠鏡基本建成，王綬琯院士召開座談會，討論觀測研究課題。我提出觀測脈沖星的建議，得到王院士的認可，很快成立了研究小組，指定由我和金聲震兩人負責。小組成員有康連生、黃茂海、吳海娃、韓金林和賀龍松。雖然觀測設備極其簡陋，與國際水平相差很遠，但這一觀測實驗是改變我國空白狀態的第一次沖刺。我們很愿意為之付出。王綬琯院士也非常關心這個課題。

15米射電望遠鏡的天線當時還不能跟蹤觀測，只能當中星儀使用。金聲震指導黃茂海完成了一塊脈沖星觀測專用的單頻率通道數據采集板，成為關鍵部件。因陋就簡，湊齊了我國第一臺觀測脈沖星的簡易設備。大冬天開始觀測，一切都在室外進行，很是艱難。但最大的困難卻是電磁干擾嚴重。這個很窄的頻段屬于射電天文的保護頻段，很多單位都在用，造成干擾。午夜以后干擾情況好一些，終于觀測到兩顆脈沖星的周期性信號，觀測結果發表在北京天文臺臺刊上。由于干擾問題始終存在，無法解決，王綬琯院士最后決定結束實驗觀測。

我國首個脈沖星觀測基地

北京的實驗沒有成功，但希望并沒有破滅。上海天文臺和烏魯木齊天文站都歡迎我們去觀測脈沖星，我們選擇去烏魯木齊天文站（下簡稱烏站）繼續實驗。

在烏站南山觀測脈沖星一舉成功

1996年春節前2周，我和北臺康連生高工來到烏站。25米射電望遠鏡跟蹤自如，口徑比較大，特別是沒有電磁干擾，觀測一舉成功，很快就在《天體物理學報》發表了4顆脈沖星觀測成果的論文。作者是吳鑫基、康連生、金聲震、李素琴、王娜、加爾肯、張洪波、王維俠和郭立智。

觀測成功，最高興的要數站長張晉。他一心要開展單天線的觀測課題，開始得到實現。不僅望遠鏡得到充分利用，還擁有自主研究項目。我深知我們的脈沖星接收終端非常簡陋。要盡快研制先進的接收系統，觀測波段選擇18厘米，即L波段。還必須著手培養研究骨干，我很看好王娜，烏站已準備派她去澳大利亞一年學習分子譜線，還沒有聯系上接收單位。我建議她改學脈沖星，得到張晉的同意。當年10月王娜就到了著名脈沖星專家曼徹斯特教授那里學習。

當時的設備能對10多顆脈沖星進行長期監測，可以獲得一些研究成果。張晉站長把派到北京天文臺“青年小組”工作表現很好的艾力·伊調回烏站。這位畢業于北京師范大學天文系的維族青年朝氣蓬勃，愿意接受挑戰。從頭做起，他很快就進入狀態，還有所創新，將靈敏度提高了約一倍。借用北京天文臺的49厘米波段前置放大器，又增加了一個新的觀測波段。陸續發表了10多篇論文，其中一篇在國際著名期刊《天文與天體物理》（A&A）上發表。經張晉站長推薦，艾力考上了北京大學博士，由我與英國萊恩教授共同指導，使他獲得到英國焦德班克射電天文臺學習一年的機會。艾力·伊在脈沖星研究方面工作出色，很快晉升為研究員，他也是當時新疆臺唯一有天體物理光學觀測研究經歷的人。

脈沖星接收設備立項

我們決定研制一套“18厘米波段雙偏振制冷式消色散接收設備”，要求達到世界一流水平。曼徹斯特教授來信表示盡力相助，從澳、英引進先進技術是沒有問題了，最大的困難是如何獲得200萬經費。

張晉站長拜托我張羅烏站脈沖星課題的發展事宜，授權我代表烏站與國內外同行討論有關脈沖星研究合作及邀請外賓訪問烏站事宜。

1997年初，中科院射電天文聯合實驗室召開學術委員會會議，請我作關于我國脈沖星觀測研究發展建議的報告。我就正式提出烏站研制脈沖星接收設備的建議，得到學術委員會的支持。但經費需要我們多渠道去爭取。這200萬元的經費真使我們為難，前景渺茫。

1997年2月，我第二次訪問香港大學物理系。鄭廣生教授得知烏站的脈沖星觀測獲得成功，非常高興。他的博士論文給出的脈沖星輻射外間隙模型非常有名。當得知我因缺少經費而著急時，他立即表態可以馬上提供急需的2萬美元，其余的第二年申請基金。

這2萬美元的資助非同小可，中科院隨之匹配資助約20萬元的經費，第一階段所需的經費就有了。我們相信，如果第一階段成果豐碩，第二階段的經費向中科院申請就容易得多。

鄭廣生提議簽訂一個中、澳、英合作的書面協議，于是由我起草合作協議初稿，曼徹斯特教授修改定稿，這就是“三國五方協議”的由來。目標很明確，就是幫助烏站研制一套18厘米波段制冷式雙偏振消色散脈沖星接收系統。澳、英將無償提供先進技術、軟件系統和觀測樣本，香港大學提供部分經費。協議由烏站的張晉、北京大學的吳鑫基、香港大學的鄭廣生、澳大利亞的曼徹斯特、英國的萊恩簽字，北京大學和烏站還蓋了單位公章。協議包括王娜到澳大利亞學習工作一年的任務，從1996年10月開始執行。

烏站建成我國第一個脈沖星觀測基地

正當中國的天文工作者紛紛去國外進修、訪問、觀測的時候，烏站的脈沖星觀測項目卻把兩位國際頂尖學者吸引到國內的項目中來了，都到烏站訪問和工作過，曼徹斯特最積極，幾乎每年都要訪問烏站和北京大學，貢獻最大。

我們的“脈沖到達時間的觀測”課題需要非常多的觀測時間進行不斷的重復觀測，1年、2年、10年，甚至幾十年，大型射電望遠鏡無法接受這樣的課題，然而烏站的25米望遠鏡卻容易做到，這使我們在國際競爭中具有很大的優勢。

合作項目分為兩個階段實施：首先研制室溫系統，靈敏度比單頻率通道系統提高15倍；第二階段研制制冷系統，靈敏度再提高5倍，達到1毫央斯基（mJy）的靈敏度。

第一階段工作分4部分：由萊恩教授負責在英國研制消色散接收和數字化系統；烏站派艾力·玉去澳大利亞研制降頻轉換器，由曼徹斯特教授指導和安排應用64米射電望遠鏡進行與消色散接收系統的聯測；由張晉負責在烏站研制雙偏振前置放大器、標準時間系統等；在北京大學的王娜負責引進觀測軟件、以后的觀測和撰寫論文。第一階段完成后，開始對74顆脈沖星進行“脈沖到達時間”的監測，不斷獲得可以發表的觀測結果。

第一階段工作結束后，合作項目完成了14篇論文，其中8篇的第一作者是王娜。在天文學界頂級期刊英國的《MNRAS》上發表的長篇論文成為中國望遠鏡脈沖星觀測進入世界行列的標志。

由于第一階段的成果豐碩，烏站向中科院申請150萬經費，在眾多項目中脫穎而出，獲得批準。烏站派出孫正文和王維俠兩位工程師去澳大利亞國家射電天文臺，由澳方提供設計并給予指導。完成了制冷式前置放大器的研制，并將其運用在64米射電望遠鏡上進行測試，性能超過規定指標。此舉又使烏站觀測脈沖星的靈敏度提高了5倍，并立即開展對280顆脈沖星的監測，觀測研究又上了一層樓。

烏站以很快的速度建成我國第一個以18厘米波段為主的具有多波段觀測能力的脈沖星觀測基地，實現跳躍式發展，在觀測設備、觀測成果和人才成長三方面獲得豐收。在國際著名期刊上發表烏站脈沖星觀測成果已屢見不鮮。王娜也成長為脈沖星研究的學術帶頭人，并任新疆天文臺的臺長。2002年7月1日三國五方第二個合作協議簽字儀式在烏魯木齊隆重舉行，開始了新一輪的合作。

由王娜牽頭提出建造口徑110米的奇臺射電望遠鏡（QTT）。在最短工作波段、主動光學系統、跟蹤精度、站址條件等方面對標目前世界第一的美國格林班克望遠鏡。這是一臺能與FAST比美的望遠鏡，靈敏度不如FAST，但觀測天區范圍和觀測頻率范圍遠遠超過FAST，相互補充，不可或缺。QTT已經引起國際科學界的高度重視，2022年末英國《自然》期刊在展望2023年最值得關注的重要科學事件中包括了奇臺望遠鏡的開工建設。QTT的開工建設首先應該歸功于王娜為首的一批年輕人。他們提出和推進這個項目，堅持高標準，絕不后退。經過十幾年的預研究，終于正式立項，開工建設。沒有王娜等的努力和堅持就不會有奇臺射電望遠鏡。

我國天文界掀起觀測脈沖星的熱潮

王綬琯院士對烏站脈沖星觀測給予很高的評價：“其重要學術意義還在于，用小望遠鏡做了一項重要的學科開拓，帶動了我國脈沖星實測研究。” 當今我國幾乎所有天文臺都已啟動脈沖星的觀測研究。

陜西國家授時中心40米射電望遠鏡

國家授時中心的前身是陜西天文臺，主要從事“時間”工作。脈沖星準確的周期提供了一種時間的標準，稱為“脈沖星鐘”。1996年烏站觀測脈沖星成功，陜西天文臺的反應很強烈。多次舉辦學術會議商討陜臺脈沖星觀測事宜，楊廷高研究員說：“1999年，王綬琯和蘇定強、吳鑫基等交換意見之后，提出在國家授時中心建設4面直徑各為50米的子午儀式射電望遠鏡，專門用于脈沖星鐘的研究。”其設計優點是：接收面積達到直徑100米射電望遠鏡的觀測能力，技術比較簡單，造價比口徑100米的低得多。

陜西天文臺采納了王綬琯的方案，進行了選址，最終因為經費問題未能實現。2014年國家授時中心研制了口徑40米的可跟蹤射電望遠鏡，主要用于脈沖星的觀測研究，兼顧分子譜線和VLBI觀測，臺址選在鄰近西安的洛南縣。40米天線配備了國家天文臺為他們研制的接收機和脈沖星終端設備。羅近濤研究員主持研制的數字化脈沖星終端非相干消色散模式和相干模式兩種設備，進一步提高了觀測脈沖星的能力。

國家天文臺50米脈沖星射電望遠鏡

王綬琯院士一直關心我國脈沖星的觀測研究，21世紀初提出在北京密云建造50米口徑脈沖星射電望遠鏡，完成了天線的設計，啟動了接收機的研制。2004年由于我國嫦娥探月工程啟動，只好忍痛割愛，把天線讓給了探月工程。金乘進博士負責的團隊研制完成了脈沖星接收機系統。雖然沒有在50米望遠鏡上展現，但他們所練就的本事和積累的經驗在后來的貴州500米射電望遠鏡（FAST）的接收設備的研制和國際合作中得到了充分發揮。為50米望遠鏡購置的脈沖星數字濾波器（PDFB）消色散設備成全了云南天文臺，大大提高了云南天文臺觀測脈沖星的能力。國家天文臺還為國家授時中心洛南40米射電望遠鏡研制了一套射頻電路及脈沖星終端設備。

云南天文臺40米射電望遠鏡

云南天文臺在2006年為探月工程建成了40米口徑射電望遠鏡，其口徑比新疆天文臺的大，所在地的緯度又比烏魯木齊低，能觀測較多的南天脈沖星，因此天文界寄予厚望。

2008年，“嫦娥一號”上天，云南天文臺完成測軌任務后，開始進行脈沖星觀測實驗。當年10月我受邀訪問云南天文臺，促成了云南天文臺和烏站進一步的合作，系統講授脈沖星知識和參與課題組的討論。令人高興的是，在我離開昆明的前一天，他們成功地觀測到脈沖星，之后陸續得到9顆脈沖星的平均脈沖輪廓。

2011年他們與國家天文臺合作，利用國家天文臺的PDFB使觀測靈敏度有很大的提高。2012年開始，國家天文臺岳友嶺和北京大學李柯伽、盧吉光相繼與云南天文臺合作，射電望遠鏡觀測能力又有提高，獲得90余顆脈沖星的平均輪廓。2016年，射電望遠鏡新增C波段饋源和C波段制冷接收機，成功地實現了對9顆脈沖星的觀測。

2020年9月，云南天文臺景東120米口徑脈沖星射電望遠鏡正式啟動。這是國際上口徑最大的可跟蹤射電望遠鏡。由于脈沖星觀測不需要在太高的頻率，望遠鏡技術要求和建造成本都會降低很多。

上海天文臺65米射電望遠鏡

2012年10月上海天文臺65米射電望遠鏡建成，這是我國第一臺進入國際先進行列的可跟蹤射電望遠鏡，亞洲最大，其觀測性能并列世界第4。也是我國首次采用主動光學技術，使得高頻觀測的效率大大提高。優于澳大利亞的64米射電望遠鏡。上海天文臺是我國甚長基線干涉儀網的中心、歐洲網的最早參與者，65米射電望遠鏡的建成使我們在歐洲網以及與其他網聯測中起著更重要的作用。

上海天文臺臺長沈志強是建造65米射電望遠鏡（天馬望遠鏡）的首席科學家。望遠鏡建成后，組建了由他領導的脈沖星研究小組。2013年我被正式邀請加入他們的脈沖星小組，不久，曼徹斯特也參與其中。除了協助指導研究生的工作，我們的主要任務是在8.6，5.0，2.3吉赫茲頻段上的脈沖星觀測研究。已經有很多觀測成果，僅在著名期刊APJ上就發表了5篇論文。

我國脈沖星觀測更上一層樓

2016年FAST建成，成為世界上口徑最大的射電望遠鏡。到目前為止，全世界50多年累計發現的射電脈沖星超過3000顆，而FAST的觀測能力將會超過這個數字，目前已經觀測發現約740顆。FAST首席科學家南仁東對脈沖星的觀測研究特別重視，曾邀請我參加FAST科學目標專家組，負責撰寫脈沖星相關文件，最后由他親自修改定稿。在FAST建造階段，他就組織觀測脈沖星的隊伍，在試觀測階段就發現了很多顆脈沖星。

再過幾年，云南景東120米脈沖星射電望遠鏡和新疆奇臺110米射電望遠鏡建成，將與上海65米射電望遠鏡一起組成世界上最強大的全可動射電望遠鏡群。它們的優點是靈敏度高，能夠對射電源進行長時間的跟蹤觀測，而且覆蓋的天區范圍比FAST大很多。其中奇臺望遠鏡和天馬望遠鏡的頻率覆蓋能達到毫米波。FAST與這3臺大型射電望遠鏡相互配合，將使我國的脈沖星綜合觀測能力位居世界領先地位。

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