被譽(yù)為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST，其原創(chuàng)成果在過去一周已經(jīng)兩度登上國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》。

在廣袤的宇宙中，經(jīng)常有一束神秘?zé)o線電波襲來。雖然它僅僅閃現(xiàn)幾個毫秒（1毫秒=1‰秒），也就是蒼蠅煽動一次翅膀的時(shí)間，但它瞬間釋放的能量卻可以達(dá)到1038erg(爾格，能量單位），相當(dāng)于地球上幾百億年總的發(fā)電量。2007年，天文學(xué)家在分析澳大利亞64米射電望遠(yuǎn)鏡2001年記錄的信號中首次發(fā)現(xiàn)了這一閃現(xiàn)只有幾毫秒的無線電波（學(xué)名快速射電暴，簡稱FRB）。

不過，這一神秘電波從何而來？如此快速閃現(xiàn)的無線電波包含了什么信息？它會不會是外星人發(fā)來的“信號”？過去十幾年，全世界各地的天文學(xué)家們一直收集信息，試圖揭示其中真相。

向著科學(xué)的高峰努力攀登，如今，中國“天眼”（FAST，全稱500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡）最新的觀測揭示了這一神秘電波爆發(fā)的物理機(jī)制，相關(guān)研究成果的兩篇論文近日發(fā)表于國際科學(xué)期刊《自然》雜志。

二十余年鑄一“鍋”

它能在雷聲中辨出蟬鳴

這些距離地球幾億光年之外的神秘電波，它們究竟是銀河系內(nèi)致密星體發(fā)出的，還是宇宙深處的劇烈爆發(fā)引起的？

2007年人類首次偵測到這一神秘電波后，經(jīng)過大約十年的探尋，天文學(xué)家們收集了30多個爆發(fā)源，發(fā)現(xiàn)它們在天空幾乎是隨機(jī)分布的，因此斷定這些毫秒閃現(xiàn)源中的絕大多數(shù)不是銀河系內(nèi)的天體發(fā)出的。

既然如此，它們從哪兒來？天文學(xué)家的探索在2017年有了新的進(jìn)展：這一年，他們捕獲了一個神秘電波，它竟然在幾個小時(shí)內(nèi)重復(fù)了幾次。利用世界多臺大射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合探測并利用記錄幾毫秒的信號進(jìn)行快速定位，天文學(xué)家終于將一個重復(fù)爆發(fā)的無線電波快速閃現(xiàn)源定位到宇宙深處30億光年之外的一個星系里。

眾所周知，天文學(xué)是極度依賴觀測設(shè)備的一門科學(xué)。遺憾的是，因?yàn)闆]有大射電望遠(yuǎn)鏡，觀測的靈敏度不夠，無法拿到第一手資料，中國天文學(xué)家過去在這個前沿領(lǐng)域，只能做理論研究。

工欲善其事必先利其器。“建造新一代射電望遠(yuǎn)鏡，這是一個必須抓住的機(jī)會！”上世紀(jì)九十年代，時(shí)任北京天文臺副臺長的南仁東等老一輩天文學(xué)家提出建設(shè)中國“天眼”的構(gòu)想。

二十余年鑄一“鍋”，2016年FAST竣工，無可爭議地成為當(dāng)今世界上最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡：其靈敏度是目前全球第二大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡的2.5倍以上，睜開“銳眼”的FAST能接收百億光年外的電磁信號。曾有專家形象地說，“它靈敏到可以在雷聲中分辨出蟬鳴。”

FAST立功

兩大門派爭鋒，它一錘定音

在2019年嘗試性的開放觀測中，由北京大學(xué)李柯伽研究員、國家天文臺韓金林研究員和美國內(nèi)華達(dá)大學(xué)張冰教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)希望利用FAST觀測一個澳大利亞2018年3月1日探測到的快速射電暴爆發(fā)源FRB 180301，看看這個源是否會重復(fù)爆發(fā)。幸運(yùn)的是，2019年7月16日的2小時(shí)觀測如愿探測到了4次爆發(fā)。此后，研究團(tuán)隊(duì)調(diào)整觀測策略，在2019年10月6日和7日，F(xiàn)AST又在6個小時(shí)內(nèi)探測到11次爆發(fā)。統(tǒng)計(jì)下來，在共計(jì)12個小時(shí)的觀測時(shí)間里，F(xiàn)AST探測到15次快速射電暴閃現(xiàn)，每次閃現(xiàn)的強(qiáng)度曲線各不相同。

“這個爆發(fā)源與2017年發(fā)現(xiàn)的那個30億光年外的爆發(fā)源距離類似、無線電爆發(fā)率類似，但強(qiáng)度要暗弱很多。”讓中科院國家天文臺研究員韓金林更興奮的是，F(xiàn)AST觀測的11個爆發(fā)信號中，居然有7個毫秒閃現(xiàn)爆發(fā)能夠很好地解析出其偏振，而且這7個偏振不僅僅是變化的，還呈現(xiàn)出變化的多樣性。如此變化的偏振在早先的重復(fù)快速射電暴中從來沒有看到過。

這意味著什么？

關(guān)于快速射電暴的起源機(jī)制，此前眾說紛紜：從超新星爆發(fā)到中子星合并，從黑洞吞噬星體到磁星星震等等，甚至有人還認(rèn)為是外星智慧生命向地球發(fā)射的無線電信號。

“而FAST觀測到的偏振變化多樣性明確說明，宇宙中的快速射電暴可能來自致密星體磁層中的物理過程。”在韓金林看來，這個觀測結(jié)果直接否定了一批國際學(xué)者關(guān)于快速射電暴起源于粒子沖撞的理論，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派理論爭鋒給出了直接裁定。

該研究成果的論文已于北京時(shí)間2020年10月29日凌晨發(fā)表于《自然》雜志。這是中國建造的射電望遠(yuǎn)鏡第一次在靈敏度這個重要指標(biāo)上占據(jù)了世界的制高點(diǎn)，它大大拓展了人類的視野，也使中國的天文學(xué)家終于有機(jī)會走到人類視界的最前沿。

另一項(xiàng)北京時(shí)間11月5日凌晨在線發(fā)表于《自然》的研究論文亦與快速射電暴有關(guān)。

2020年4月，北京師范大學(xué)林琳博士、北京大學(xué)張春風(fēng)博士、國家天文臺王培博士等聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)利用FAST對銀河系磁星（高度磁化的特殊中子星）軟伽馬重復(fù)暴源SGR J1935+2145進(jìn)行了多波段聯(lián)合觀測。

觀測結(jié)果表明高能波段的暴發(fā)與射電波段的FRB幾乎沒有相關(guān)性，說明磁星產(chǎn)生高能爆發(fā)時(shí)不能產(chǎn)生掃過地球的FRB。

FAST與世界上的其它望遠(yuǎn)鏡也探測到了射電FRB。內(nèi)華達(dá)大學(xué)教授張冰（論文通訊作者）認(rèn)為，“SGR J1935的觀測結(jié)果表明磁星很可能是絕大部分FRB的起源，盡管不能排除其它起源的可能。”

“目前，F(xiàn)AST正在對SGR J1935+2154及其他一系列FRB源展開持續(xù)監(jiān)測。FAST的歷史最強(qiáng)絕對靈敏度使其在射電瞬變源方面具有重大潛力。”在北京大學(xué)李柯伽研究員看來，F(xiàn)AST測量結(jié)果對研究快速射電暴的起源和物理機(jī)制，將起到重要的推動作用。

多面小能手

還能探測脈沖星、引力波

除了是快速射電暴“捕捉小能手”，F(xiàn)AST迄今已協(xié)助我天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)脈沖星數(shù)量超過240顆。其中一顆是在球狀星團(tuán)M13中發(fā)現(xiàn)的新脈沖星，它是一個脈沖雙星，也是一個典型的“黑寡婦”系統(tǒng)。在球狀星團(tuán)M92中發(fā)現(xiàn)的則是一個具有掩食現(xiàn)象的毫秒脈沖雙星，這是在M92中發(fā)現(xiàn)的第一顆毫秒脈沖星，密近的軌道和較大的伴星質(zhì)量預(yù)示著伴星的物質(zhì)正在被脈沖星吸積。借助FAST的高靈敏度，伴星及其星風(fēng)的遮擋帶來的脈沖星信號掩食現(xiàn)象和伴星星風(fēng)導(dǎo)致的脈沖星信號到達(dá)時(shí)間延遲都能被清晰觀測到。具有這些特殊現(xiàn)象的脈沖雙星在天文學(xué)中稱為“紅背蜘蛛”系統(tǒng)。該發(fā)現(xiàn)被美國天文學(xué)會選為亮點(diǎn)研究成果。

不僅如此，被寄予厚望的FAST還有另外一個重要用途：探測低頻引力波。

2016年2月，LIGO合作組宣布首次直接探測到廣義相對論預(yù)言已久的引力波之后，對引力波的探測已經(jīng)成為天文學(xué)界的熱門話題。

通過對毫秒脈沖星的長期監(jiān)測，選取一定數(shù)目的毫秒脈沖星組成計(jì)時(shí)陣列，可以探測來自超大質(zhì)量雙黑洞等天體發(fā)出的低頻引力波。李柯伽研究員說，“受益于FAST超高靈敏度，我們已經(jīng)將脈沖星的測時(shí)精度提升至少一個數(shù)量級”。這有望使我們首次具備納赫茲引力波的探測能力。

“可以說我們已經(jīng)走在‘出大成果’的攀登之路上。”中國科學(xué)院院士、天體物理學(xué)家武向平表示。（經(jīng)濟(jì)日報(bào)經(jīng)點(diǎn)科學(xué)工作室 沈慧）

原文標(biāo)題：中國“天眼”揭開宇宙神秘電波的面紗

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