中国天眼目光更有神：FAST已确认新发现44颗脉冲星
日前，无人机拍摄的“中国天眼”全景。
新华社记者 刘 续摄
15日，首届中国·天泉湖天文论坛在江苏盱眙举行。中国500米口径球面射电望远镜(FAST)首席科学家、中国科学院国家天文台研究员李菂在论坛上表示，被誉为“中国天眼”的FAST经过两年的紧张调试工作，现已实现了跟踪、漂移扫描、运动中扫描等多种观测模式，数项关键指标超过预期。截至目前，已发现了44颗被确认的新脉冲星，有望明年下半年完成验收并向全国天文学家开放使用。
研究脉冲星有望解决许多重大物理学问题
经过工作人员的精心调试，如今“天眼”视力越来越好，脉冲星的批量发现也随之开始。
去年10月10日中科院国家天文台就曾对外公布，FAST首次发现脉冲星，当时探测到数十颗优质脉冲星候选体，其中6颗通过国际认证。近一年过去，如今新发现脉冲星的数量又有突破。截至目前，FAST已经探测到59颗优质的脉冲星候选体，其中已经有44颗得到认证。
“特别是今年2月探测到有史以来最暗弱的毫秒脉冲星之一，这颗脉冲星是其他国家很多望远镜看了多次却都没有看到的。这充分证明了FAST在灵敏度方面的优势。”李菂说。
搜寻和发现射电脉冲星是FAST核心科学目标。脉冲星由恒星演化和超新星爆发产生，因发射周期性脉冲信号而得名。自1967年发现第一颗脉冲星以来，过去50年里，人类发现的脉冲星家族至少有2700个成员。
“脉冲星是一种高速自转的中子星，它的密度极高，每立方厘米重达上亿吨。它的自转速度很快、自转周期精确，是宇宙中最精确的时钟。”李菂说，“因此，它具有在地面实验室无法实现的极端物理性质，是理想的天体物理实验室，对其进行研究，有希望得到许多重大物理学问题的答案。譬如，脉冲星的自转周期极其稳定，准确的时钟信号为引力波探测、航天器导航等重大科学及技术应用提供了理想工具。”
“通过对快速旋转的射电脉冲星进行长期监测，选取一定数目的脉冲星组成计时阵列，就可以探测超大质量双黑洞等天体发出的低频引力波。”李菂说。
巨大的接收面积和超高灵敏度，才能看清天体目标的细节
自2016年9月25日落成启用后，FAST望远镜就正式进入为期3—5年的调试期。
一般来说，巨星望远镜调试期都会涉及天文、测量、控制、电子学、机械、结构等众多学科领域，是一项强交叉学科的应用性研究，所以国际上传统大射电望远镜的调试周期很少低于4年。
FAST总工程师、中科院国家天文台研究员姜鹏说：“FAST巨大的接收面积注定了它有其他望远镜无法比拟的优势，即超高的灵敏度，但这也使得它的系统构成更为复杂，因此它的调试工作也更具有挑战性，也更容易受设备故障的影响。同时，还有30吨馈源舱(安放FAST望远镜用来接收宇宙外信号装置系统的舱体)漂在高空，安全风险也极大。”
但调试团队不畏困难，经过半年左右的努力，最终于2017年8月27日第一次完成了反射面和馈源支撑的协同动作，首次实现了对特定目标的跟踪观测，并稳定地获取了目标源射电信号。这意味着“天眼”的“眼珠”可以转动了，也标志望远镜最具难度及最具有风险的功能性调试完成了。
姜鹏说：“此后，‘天眼’就可以克服地球的自转，对天体目标源进行跟踪观测。要知道望远镜的灵敏度不仅与其接收面积有关，还与望远镜的跟踪时间有关。就像人的眼睛一样，只是扫视一下的话，我们只能看个大概的轮廓。如果想看清细节，就需要对着目标仔细地端详一段时间。其实，这也是FAST最重要的一个功能，只有能跟踪了，‘天眼’才能发挥它的最优性能。”
在实现望远镜的功能性调试之后，余下的任务主要是如何提升望远镜的性能。
姜鹏说：“目前19波束已经完成安装调试。它可以将望远镜的视场扩大19倍，从而大幅地提升望远镜的巡天效率，预期更多的脉冲星发现将由此开始。”
静态扫描已达验收指标，正为观测河外星系脉冲星做准备
姜鹏表示，有了19波束的支持，就可以开始向验收指标冲刺了。
“望远镜的验收指标的实现，还要经过非常繁杂的指标分解，例如要实现设计的灵敏度，就要知道反射面的精度等。”姜鹏说，截至目前，调试工作已取得了一些非常可喜的进展。比如，望远镜的系统噪声已经控制在20K左右的水平，同时静态扫描模式下的效率已经达到50%以上，望远镜的灵敏水平已经达到了1800平方米每K的水平，可以说静态扫描工作模式已经达到了望远镜的验收指标。下一步的任务就是提高跟踪过程的控制精度，把跟踪过程的灵敏度也实现同样或相近的水平。
对于观测范围可达已知宇宙边缘的“天眼”来说，发现脉冲星只是使命之一。未来，它还将在中性氢观测、谱线观测、寻找可能的星际通讯信号等方面进行探索发现。
中外科学家也都期待“天眼”的发现从量变转为质变。“天眼”若能第一个捕获河外星系脉冲星，将具有开创性意义。李菂和他的研究小组已经在为观测河外星系脉冲星做技术上的准备，最早于明年初会进行尝试。
吴月辉
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