FAST助力中國(guó)科學(xué)家“明察秋毫”

在廣袤的宇宙中，經(jīng)常有一束電波襲來(lái)，卻僅僅閃現(xiàn)幾個(gè)毫秒。

2007年，天文學(xué)家在分析澳大利亞64米射電望遠(yuǎn)鏡2001年記錄的信號(hào)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了這樣的毫秒電波。隨后天文學(xué)家就一直企圖尋求真相：誰(shuí)發(fā)出了電波？如此快速閃現(xiàn)的電波包含了什么信息？中國(guó)天眼FAST最新的觀(guān)測(cè)揭示了這種宇宙毫秒無(wú)線(xiàn)電爆發(fā)的新物理，連續(xù)兩篇論文在Nature發(fā)表。

過(guò)去十幾年，天文學(xué)家一直收集著信息，他們要回答的首要問(wèn)題是：這些毫秒電波是銀河系內(nèi)致密星體發(fā)出的？還是宇宙深處的劇烈爆發(fā)引起的？經(jīng)過(guò)大約十年的探尋，天文學(xué)家收集了30多個(gè)爆發(fā)源，它們?cè)谔炜諑缀跏请S機(jī)分布的，因此可以斷定這些毫秒閃現(xiàn)源中的絕大多數(shù)不是銀河系內(nèi)的天體發(fā)出的。

2017年，天文學(xué)家終于捕獲到一個(gè)毫秒無(wú)線(xiàn)電爆發(fā)，它竟然在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)重復(fù)了幾次。天文學(xué)家利用世界多臺(tái)大射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合探測(cè)，并利用記錄到的幾毫秒的信號(hào)進(jìn)行快速定位，終于將一個(gè)重復(fù)爆發(fā)的無(wú)線(xiàn)電快速閃現(xiàn)源，定位到宇宙深處30億光年之外的一個(gè)星系里。

然而，因?yàn)檫^(guò)去中國(guó)沒(méi)有大射電望遠(yuǎn)鏡，中國(guó)的天文學(xué)家無(wú)法拿到第一手資料，所以在這個(gè)前沿領(lǐng)域的研究中，中國(guó)天文學(xué)家只能做理論研究。

中國(guó)天眼FAST于2016年竣工，經(jīng)過(guò)三年調(diào)試，現(xiàn)在已經(jīng)對(duì)國(guó)內(nèi)天文學(xué)家開(kāi)放。FAST不僅因?yàn)榫酃饷娣e巨大而使其電波收集能力超強(qiáng)，成為世界最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡；也因?yàn)榫芸刂频淖冃文芰?，F(xiàn)AST能夠聚焦和穩(wěn)定跟蹤天體。

在2019年嘗試性的開(kāi)放觀(guān)測(cè)中，北京大學(xué)和國(guó)家天文臺(tái)聯(lián)合培養(yǎng)的博士生羅睿希望利用FAST觀(guān)測(cè)一個(gè)2018年3月1日澳大利亞探測(cè)到的爆發(fā)源FRB 180301，看看這個(gè)源是否會(huì)重復(fù)爆發(fā)。幸運(yùn)的是，2019年7月16日FAST的2小時(shí)觀(guān)測(cè)如愿探測(cè)到了4次爆發(fā)。這個(gè)結(jié)果讓人激動(dòng)。

然而，在隨后9月11日的4小時(shí)觀(guān)測(cè)中，竟然什么信號(hào)也沒(méi)有探到！由北京大學(xué)李柯伽研究員、國(guó)家天文臺(tái)韓金林研究員和美國(guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)張冰教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)討論后，發(fā)現(xiàn)早前澳大利亞報(bào)告的爆發(fā)源的位置不夠精準(zhǔn)，隨后改變了觀(guān)測(cè)策略，將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)的位置調(diào)正，并記錄偏振信號(hào)。終于，在2019年10月6日和7日，F(xiàn)AST在6個(gè)小時(shí)內(nèi)探測(cè)到11次爆發(fā)。與之前的觀(guān)測(cè)時(shí)間總計(jì)而言，F(xiàn)AST在12個(gè)小時(shí)的觀(guān)測(cè)時(shí)間里探測(cè)到15次閃現(xiàn)，每次電波閃現(xiàn)的強(qiáng)度曲線(xiàn)也各不相同。這個(gè)爆發(fā)源與那個(gè)30億光年外的爆發(fā)源距離類(lèi)似、無(wú)線(xiàn)電爆發(fā)率類(lèi)似，但強(qiáng)度要暗弱很多。

最奇妙的結(jié)果來(lái)自對(duì)11次爆發(fā)電波的高靈敏度偏振信號(hào)解析。FAST裝配的接收機(jī)偏振測(cè)量能力非常好。相比之下，過(guò)去世界上的望遠(yuǎn)鏡僅僅對(duì)30多個(gè)爆發(fā)源中的幾個(gè)記錄了偏振信號(hào)，能夠詳細(xì)研究的樣本非常少。從之前的探測(cè)看到：重復(fù)爆發(fā)源要么表現(xiàn)出平平的偏振角，即電波的極化面不變；偏振角變化的現(xiàn)象僅在一次性爆發(fā)源中看到過(guò)兩次。在11個(gè)爆發(fā)信號(hào)中，F(xiàn)AST能夠?qū)?個(gè)毫秒閃現(xiàn)的爆發(fā)很好地解析出其偏振信息。

令人激動(dòng)的是，7個(gè)偏振不僅僅是變化的，而且呈現(xiàn)出變化的多樣性（圖1）。如此變化的偏振在早先的重復(fù)暴中從來(lái)沒(méi)有看到。FAST觀(guān)測(cè)到的偏振變化多樣性明確說(shuō)明：宇宙中的爆發(fā)源可能來(lái)自致密星體磁層中的物理過(guò)程。這個(gè)觀(guān)測(cè)結(jié)果為近幾年致密星磁層起源和爆發(fā)物質(zhì)激波撞擊起源的兩大門(mén)派理論爭(zhēng)鋒給出了直接裁定。

圖1. FAST觀(guān)測(cè)首次發(fā)現(xiàn)了毫秒爆發(fā)源偏振角PA變化的多樣性（圖源：作者）

該論文因如此重要意義于北京時(shí)間2020年10月29日發(fā)表于《自然》(Nature)。

另外值得指出的是，F(xiàn)AST已經(jīng)做了大量天體目標(biāo)的觀(guān)測(cè)，在短短兩年里就發(fā)現(xiàn)了240個(gè)脈沖星。

作者簡(jiǎn)介：韓金林，國(guó)家天文臺(tái)致密天體和彌漫介質(zhì)團(tuán)組首席科學(xué)家，研究員。北京市青少年科技俱樂(lè)部資深導(dǎo)師。