Volume 3 Issue 4 will be published on Jul 12, 2022.   A Cell Press partner journal
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Discovery | FAST的里程碑

FAST是一台接收宇宙无线电波的望远镜。自落成以来,FAST一步一个脚印,在性能不断优化的同时不断取得了很多好的科学成果。FAST已经发现了超过240颗脉冲星,其中包括双星系统中的毫秒脉冲星。近期FAST还在快速射电暴的研究中取得了重要成果,确定了快速射电暴来源于致密星磁场的物理过程,对磁星产生快速射电暴的机制也给出了严格限制(图1)。


宇宙中的天体的性质可以用一些参数表示,比如距离大小亮度等。这些参数可以构成一个假想的空间,称为参数空间。换一个角度看,这些天体对应于参数空间中的点。人类对宇宙的不断探索也就是在参数空间中不断开拓。


对于天文观测而言,开拓参数空间的一个重要参数是望远镜的灵敏度。所以纵观天文学历史,望远镜的发展就是在追求越来越高的灵敏度。提高望远镜灵敏度的一个直接方法就是建造更大口径的望远镜。FAST就是在这样的背景下被设计、建造出来的。


FAST的灵敏度是第二名的单口径射电望远镜的2.5倍。看起来没多少,但就积分时间而言,达到同样的观测效果,其他望远镜至少要花6倍的时间。所以,FAST的灵敏度帮助我们开拓了参数空间中新的疆域。我们不止一次发现,别的望远镜花几个小时才能探测到的脉冲星,FAST只需要几分钟;别的望远镜看不到的脉冲星,FAST能看到;别的望远镜测不准的偏振度,FAST能测准


FAST作为一台非全可动的射电望远镜,虽然天顶角范围比传统的全可动望远镜小不少,但通常也足以对具有适当天顶角的源进行3到5小时的连续跟踪。为了达到同样的效果,其他望远镜需要连续跟踪几十个小时,而这通常是不可能的。所以FAST发现了一些其他望远镜错过的脉冲星,其中包括双星系统中的毫秒脉冲星M92A(图2)。

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图2. M92A的示意图(A)和计时观测结果(B)。伴星对脉冲星的掩食造成了计时观测结果中的空缺。


凭借灵敏度优势,FAST可以对一些已知脉冲星进行单脉冲观测,研究单个脉冲的变化,帮助了解脉冲星磁场中的物理过程。FAST也在已知脉冲星B1929+10中看到了星际闪烁的特征结构(图3)。

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图3. 脉冲星B1929+10二次谱中星际闪烁的特征弧形结构


更为激动人心的是,FAST在快速射电暴研究中取得了突破。首先,FAST在漂移扫描巡天中发现了一个快速射电暴(FRB),FRB181123,其中的频率漂移和以往的同类快速射电暴有所不同。其次,FAST在对快速射电暴FRB180301的观测中发现了重复爆发,并且对其偏振进行了测量。观测发现了FRB180301有丰富的偏振状态(图4)。这是首次在快速射电暴中观测到偏振变化。这个结果支持了快速射电暴产生于致密天体磁层中物理过程的模型,而否定了激波碰撞的模型。另外,FAST对产生了河内快速射电暴的磁星SGR 1935+2154进行了多次观测,没有探测到射电脉冲,这对磁星产生快速射电暴的机制给出了很强的限制。

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图4. FRB180301的七个脉冲的偏振轮廓和动态谱


FAST凭借前所未有的灵敏度开启了其他望远镜难以探索的参数空间,借此在脉冲星和快速射电暴的研究中取得了重要成果。在谱线观测中,FAST也取得了一些初步成果。从FAST能探索的参数空间可以看出,目前很多方面的研究还受限于观测时长和数据积累有限,成果也主要限于时域观测。未来,随着观测时间的增加和更多新思想的加入,参数空间会进一步扩大,FAST有望通过时域、频域和时频分析在快速射电暴、银河系中性氢和河外中性氢和星际闪烁中取得更多重要成果。


原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666675820300564




作者简介


钱磊,2009年在北京大学天文学系获得博士学位。2009年至今在中国科学院国家天文台FAST工程工作,副研究员。在FAST调试期间,负责FAST调试中的观测规划和数据格式转换等工作。在调试期间参与发现了一批脉冲星。2018年入选中国科学院青年创新促进会。2019年获北京天文学会“北京青年优秀科技论文”一等奖。已发表SCI论文30多篇。


姜鹏,FAST总工程师,中国科学院国家天文台研究员、博导。曾获第十五届中国青年科技奖、第二十三届中国青年五四奖章集体、第三十二届北京青年五四奖章、中国钢结构协会科学技术奖特等奖、北京市科学技术奖一等奖和广西技术发明一等奖。


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