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        ——習近平總書記在致中國科學院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

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        “中國天眼”為何緊盯脈沖星

        2024-03-20 北京日報
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        語音播報

        位于貴州省平塘縣的“中國天眼”——500米口徑球面射電望遠鏡。(航拍視頻截圖)

        脈沖星示意圖

        在今年的全國兩會上,全國人大代表、中國科學院國家天文臺“中國天眼”總工程師姜鵬介紹了“中國天眼”的成果,其中包括發現了一顆迄今為止軌道周期最短的脈沖星雙星系統。截至目前,“中國天眼”已經發現883顆脈沖星,發現效率超過了國外同行總和的3倍,年內這一數字有望刷新到1000顆。

        那么,脈沖星在宇宙中是一種什么樣的天體?“中國天眼”在這個領域具有哪些觀測優勢?找到大量脈沖星之后又有什么科學用途呢?

        走向外太空繞不開的脈沖星

        人類想要走向外太空,尋找脈沖星是繞不開的一步。因為脈沖星非常穩定,故而可以用作長期可靠的時間系統和太空“航標”。

        上世紀70年代,美國陸續將多枚航天器發往太陽系外。在先驅者號攜帶的“地球名片”鍍金鋁板和旅行者號攜帶的“地球之聲”金唱片上,均用14顆脈沖星的周期和相對距離標記出了太陽系的方位。在科學家眼中,無論是“走出去”還是“走進來”,脈沖星對探索外太空都具有非常重要的意義,這也是脈沖星受青睞的重要原因。

        脈沖星就是旋轉的中子星,因不斷發出電磁脈沖信號而得名,在1967年首次被發現。從地球的角度去看,脈沖星是周期性閃爍電磁脈沖的天體,脈沖間隔極短,通常在秒級,可短至幾毫秒,也可長至上百秒。其實,脈沖星并不是真的在閃,所謂閃爍,只是一顆瘋狂旋轉的死亡恒星造成的假象。

        在人類目前發現的三四千顆脈沖星中絕大多數都是中子星,它們曾經是發光發熱的正常恒星。恒星內部總有兩股力量在抗衡:引力驅使物質向恒星的核心墜落,而核聚變釋放的能量把物質向外推。這兩股力量相互制約,假如某個瞬間引力稍占上風,那么恒星就會收縮,收縮引發升溫,核聚變便會立刻增強,迫使恒星回彈到原有尺寸。

        這場角力一旦開始就十分漫長,像太陽內部的這兩股力量已經纏斗了46億年。但恒星的核聚變燃料總有用完的一天,所以引力永遠是最后的贏家。當一顆大質量恒星(如超過8倍太陽質量的恒星)耗盡燃料時,就會向中心坍縮,發生猛烈內爆,再向外彌散,迸發出一朵絢爛的“煙花”,這個過程就叫作“超新星爆發”。我國古人曾觀測到一顆明亮的超新星:北宋至和元年(公元1054年),金牛座的“天關”星宿附近出現了一顆超新星,明亮到連續23個白天都可以看到它;夜晚可見的時間更久,足足持續了22個月。這起超新星爆發事件被當時的司天監記錄下來,史稱“天關客星”。

        恒星在爆發之后,通常會留下一顆非常致密的天體,這就是中子星——其內部由于巨大的引力作用,原子結構被壓垮,電子被擠進原子核,與質子結合為中子。中子星的質量超過1.4個太陽,直徑卻只有十幾公里,可謂“超強壓縮”了。

        另外,中子星還從恒星那里繼承了殘余質量的旋轉角動量。在同樣的角動量下,轉速與半徑的平方成反比,比如半徑縮小一半,轉速就會增至4倍。冰舞運動員在旋轉時把雙臂收攏或舉到頭頂,就會滴溜溜地轉得飛快,同理,當恒星坍縮到中子星的尺寸,轉速就會成百萬倍、上億倍地飆升,如果它從星際或伴星那里吸取物質,轉速還能進一步提高。目前所知轉得最快的中子星每秒自轉716圈,都超過破壁機了。

        中子星具有強磁場,能驅動其周圍的帶電粒子,發出強烈的射電輻射束,并從它的兩個磁極噴涌而出,如果這些隨中子星自轉的輻射束正好掃過地球,科學家就能觀測到周期性的射電脈沖。

        前面提到的“天關客星”就是一顆周期33毫秒(每秒自轉30圈)的脈沖星,拋散出的漸冷煙花是著名的蟹狀星云。這顆脈沖星雖然不是人類發現的首顆,卻是事先知道該往哪兒看、主動搜尋到的第一顆脈沖星,也是將脈沖星、中子星和超新星爆發等概念聯系到一起的首個天體。中國近千年前的這個天文記錄,對人類認識恒星演化歷程和天體物理學的發展起到了重要的推動作用。

        “中國天眼”緣何觀測優勢明顯

        大部分脈沖星在可見光波段沒有顯著輻射,而在射電波段看起來比較亮。幸運的是,從地球這個角度,大氣層對波長為10厘米至10米量級的射電波段相當優待,透明度極高,所以在地面上特別適合利用射電望遠鏡觀測脈沖星。

        “中國天眼”就是一座巨大的射電望遠鏡,其全名為“500米口徑球面射電望遠鏡”,英文縮寫為FAST。它坐落在貴州省平塘縣,依照喀斯特地貌的天然洼地而建,2011年開工,2016年落成,是目前世界上最大的全口徑均有反射面的射電望遠鏡。著名的俄羅斯RATAN-600射電望遠鏡口徑雖然達到了576米,卻只有細細一圈反射環。

        說句題外話,有不少人覺得FAST這個縮寫聽起來很酷,全稱卻顯得過于直白。其實這一直是天文界的傳統,比如美國的TMT是“30米望遠鏡”,歐洲的VLT是“甚大望遠鏡”、ELT是“特大望遠鏡”,美國航天局、歐洲空間局、加拿大宇航局聯合研發的詹姆斯·韋布空間望遠鏡的名字James Webb Space Telescope(JWST)略有一點情懷,可它最初其實叫作“下一代空間望遠鏡”(相對于哈勃而言)……

        言歸正傳,每當大家聽到“射電望遠鏡”這個詞時,腦海里往往會浮現出一口天線“大鍋”。為什么射電望遠鏡都這么大呢?這主要是因為在相同的分辨率需求下,要觀測的波長越長,“鍋”的口徑就得越大,不然就看不清了。因為這一原理,在紅外波段工作的韋布空間望遠鏡口徑是主攻可見光的哈勃望遠鏡口徑的2倍多(前者口徑為6.5米,后者口徑為2.4米),不得不精心折疊,才能塞進火箭發射上天。而射電望遠鏡所工作的波長比這兩個望遠鏡還要高五六個數量級,口徑動輒幾百米就毫不夸張了。

        一些細心的讀者可能還有兩個疑問。一個疑問是球面實際上無法將遙遠星光匯聚到單一焦點,得用拋物面才行,“中國天眼”為何要做成球面望遠鏡?另一個疑問是一口“大鍋”固定在地面,豈不是只能盯著天頂上的一點,就算隨著地球自轉,是不是也只能掃描這一點?

        實際上,“中國天眼”可不像廚房里的炒菜鍋那樣是硬邦邦一整塊,它的身段“靈活”得很,由4450片反射鋁板拼接而成,通過背后的電機驅動。這些反射板能夠調整位置和姿態,改變鏡面的形狀。經“中國天眼之父”、中國天文學家南仁東及其團隊的計算,只需和球面偏離47厘米,就可以把口徑300米的球面改成拋物面,把射電信號聚焦在一點。所以,在任意時刻,“中國天眼”都可以通過一片口徑300米的圓形拋物面工作區域,把射電信號聚焦反射給上方懸吊的測量設備。同時,在控制中心的統一指揮下,這個“300米工作區”能在“鍋”里自如漂移,就像眼珠轉來轉去一樣,可觀測的天區范圍相當廣闊。

        由此可知,倘若保持完整的300米口徑,“中國天眼”的視線能夠轉離天頂26.4°,以射電望遠鏡所在的北緯25.8°加減這個天頂角,即可得到從北緯52.2°(工作區緊貼南鍋沿,望向北方天空)到南緯0.6°(工作區緊貼北鍋沿,望向南方天空)的觀測范圍。據南仁東估算,從地球角度全天可觀測的脈沖星中,有一半都能被“中國天眼”看到。

        在強大的硬件基礎上,“中國天眼”還有多種觀測模式。比如,“中國天眼”可設置為“漂移掃描”模式,即固定工作區,盯著天頂某個角度一動不動。然而,它實際上是在跟隨地球自轉自西向東掃描這一片天空。忽然,觀測人員看到一連串射電閃爍,似乎是一顆沒見過的脈沖星,值得追著看一看,便可把“中國天眼”切換到“跟蹤”模式,通過行“注目禮”的方式,把特定目標固定在視野中,就能對新天體進行詳盡觀測。

        如果觀測人員事先對某片天區懷有較高的期待,還可以有的放矢,讓“中國天眼”進入“運動中掃描”模式,東西南北、往復來回地巡視指定天區。比如,“中國天眼”對脈沖星的優先搜索區域,就是銀河兩岸各5°的天區,后來擴展到各10°的天區。

        “中國天眼”的設備選址使其避開了各種地面干擾,巨大口徑和采光面積帶來了極高的分辨率和靈敏度,靈活的工作模式擁有了寬廣的觀測范圍。有了這些優勢,它能高效發現脈沖星也就不奇怪了。

        可大力推動基礎物理研究

        據“中國天眼”總工程師姜鵬介紹,自2016年正式運行以來,“中國天眼”已經發現了883顆脈沖星,是國外同行在同時期發現總和的3倍有余。那么,我們能利用這些脈沖星做什么呢?

        事實上,科學發現未必立刻就能帶來用處,當北宋的司天監記錄“天關客星”的時候,也想不到它會在近千年后推動天體物理的研究。人們探索世界運行的法則,是因為懂得這些知識本身就是件有意義的事。

        至于脈沖星本身,是具有極高科學價值的。

        穩定的脈沖星可以用于精密的定時定位。脈沖星的自轉角動量極大,在太空中幾乎不受任何干擾,所以脈沖周期非常穩定,有些脈沖星在長期表現上堪與原子鐘媲美。在人類的時間尺度上,脈沖星可謂“永不斷電”,比原子鐘皮實多了。因此,將脈沖星和原子鐘結合起來,可以建立長期穩定的精密時間系統,甚至用于星際導航。

        脈沖星還可以用來探測空間環境。當脈沖星發來的信號穿越星際空間時,會被沿途的電離氣體阻礙,造成延遲。路程越長,電離氣體越多,波長越長,信號延遲得越久。如果已知脈沖星離地球有多遠,再精密測量各波長信號到達的時間差,就能反推信號沿途的星際介質分布情況,幫助我們更好地了解銀河系的物質分布和演化過程。影響脈沖星信號的還有磁場,磁場越強,電磁信號的改變幅度越大,通過測量信號的偏振,就能夠推演信號沿途的磁場分布情況。

        當超大質量天體擾動時空時,例如兩個黑洞或中子星以超高速互相繞轉時,會產生引力波,對時空造成畸變振蕩,改變脈沖星信號到達地球的時間。所以,通過精確測量天空各個方向脈沖星的周期起伏,還可以探測引力波。

        當然,即使沒有上面這些用途,以脈沖星為代表的中子星,本身也是位于物理學研究前沿的奇異天體。

        脈沖星的各種極端條件是在地球上無法制備的,通過它可以研究具有原子核密度的物質在宏觀上如何運作。脈沖星具有極強的引力場,足以扭曲時空,又比黑洞友好,允許電磁信號跑出來“報信”,是演示廣義相對論效應的絕佳場所。由于脈沖星具有超強磁場,它還是研究磁層粒子加速、高能輻射和射電輻射的天然實驗室。

        全球科學界發現的脈沖星有三四千顆,其中,“中國天眼”就發現了近千顆,大大豐富了脈沖星的樣本庫。數據基數上去了,就更有希望找到更奇異、更前沿、更能推動基礎物理研究的天體,比如脈沖星-黑洞雙星系統,這類系統是天體物理學的“圣杯”。脈沖星的特點是穩定輸出電磁信號,黑洞則擅長扭曲時空,對信號造成延遲和偏轉,兩者在太空中互相繞轉時,所觀測到的信號將千變萬化,極具科研價值,而且還能檢驗廣義相對論和現有黑洞理論的諸多預言。

        總而言之,對于脈沖星的探索在協助星際航行、探測空間環境、推動理論研究等方面具有重要作用,而“中國天眼”持續發現大量新的脈沖星,必將獲得更多收益,取得重大突破。

        打印 責任編輯:侯茜

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