“天眼”遥望脉冲星

文_张承民 图_当代贵州全媒体记者 / 李森

截至7月30日，“中国天眼”FAST已经探测到59颗优质脉冲星候选体，其中已经有43颗得到国际认证。中国天眼FAST将引领世界进入一个万颗脉冲星研究、刷新宇宙认知的新时代。

2017年10月，中国科学院科学传播局和国家天文台联合发布了我国500米口径球面射电望远镜（FAST）取得的首批科研成果，其中包括新发现两颗脉冲星，这是我国射电望远镜首次新发现脉冲星，实现了中国天文学在该领域零的突破。

截至7月30日，FAST已经探测到59颗优质脉冲星候选体，其中已经有43颗得到国际认证。不仅如此，今年2月，FAST探测到有史以来最暗弱的毫秒脉冲星，这颗脉冲星是其他国家很多射电望远镜没有看到的。这充分证明FAST在探测灵敏度方面的巨大优势。

审视中国天眼取得这些基本成就的背后，有哪些值得回味的话题？未来国际脉冲星研究将进入一个怎样的时代？本文借此窥视一斑。

远离电磁污染的静默区

天眼地处贵州黔南的喀斯特洼地，这是得天独厚的无线电屏蔽安静山谷，使得射电噪声干扰降低到最低限度，这在全球日益电磁泛滥的时代，如此优良的天然低电磁环境可谓难能可贵。青山绿水、电磁宁静、强制保护，这是FAST望远镜成为一流大科学装置的必要条件。

由于射电望远镜易受外界电磁辐射干扰，对电磁波环境要求极高。2013年贵州省人民政府审议通过《贵州省500米口径球面射电望远镜电磁波宁静区保护办法》，之后又通过了《黔南布依族苗族自治州500米口径球面射电望远镜电磁波宁静区运行环境保护条例》，覆盖贵州3个县和广西3个市，包括贵州黔南州平塘、罗甸、惠水三个县以及广西壮族自治区柳州、河池、白色三个市，这标志着全国首部射电天文望远镜电磁宁静区运行环境保护法规的生效。

以平塘县大窝凼射电望远镜台址为圆心，在半径5公里区域内，严禁设置、使用无线电台，严禁建设产生辐射电磁波的设施；在半径5至30公里区域内，经论证对射电望远镜正常运行构成干扰的设施不得建设。同时，任何单位和个人不得占用国家为开展射电天文业务所划分的频率。贵州省严格执行了天眼周边的无线电保护条例，为保障大射电正常运行不受干扰，关闭了影响射电环境的基站、矿山、企业。设立旅游项目适度开发区，严格控制“中国天眼”每天2000人次的最大承载量，严禁游客携带任何电子产品进入保护区，严禁工作人员携带任何干扰设备到静默区。

如此一来，天眼周边就成了名副其实的“净土”，这片青山绿水远离了电磁污染。

提升测量精度

大窝凼的大气不均匀性及温度、湿度分布极特殊，对于望远镜反射面的活动面板和接收机系统进行实时测量会产生影响。数据表明，FAST现场的折光系数达到了1.8左右，远大于全站仪测量系统默认的折光系数0.13，所以必须进行基准修正。

经过研究人员不断的调试，测量精度不断优化和提升，望远镜的性能也得到明显改善。目前FAST可以实现完美的聚焦，完成天眼的视力校正，漂移观测的指向精度已经达到10角秒水平，可以实施脉冲星观测。

目前FAST安装了19波束接收机，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，预期可以发现更多脉冲星。实现FAST设计的灵敏度，就要知道反射面的精度、馈源的控制精度、系统噪声要控制精度、每一部分还分解到下一级精度，例如测量精度、控制精度、制作精度、安装精度等等。这些精度的提升是望远镜做出世界一流发现的基础。

一个天文研究新时代的来临

自1967年发现脉冲星以来，50年间已取得了许多瞩目的成就。天文学家已经观测到2800多颗射电脉冲星，至今已积累了一大批宝贵的资料，同时也存在不少现象和问题还没有从原理上认识清楚。

随着FAST大型装置的成功运转，人类必将逐步揭示脉冲星所带来的一系列宇宙新问题。截至目前，天文学家已经观测到18对双中子星系统，这是验证爱因斯坦引力波预言的天然实验室。但还没有发现脉冲星—黑洞双星系统，FAST有望在未来探测到这类奇特双星，由此高精度检验爱因斯坦理论和揭示宇宙奥秘。

脉冲星的研究涉及到许多学科的基本问题，它与现代物理中的等离子体物理、广义相对论、基本粒子、核物理、超导超流、中微子和引力波等密切有关。另外，脉冲星在恒星演化和终结的研究中也占有特殊的地位，所以脉冲星研究支撑着多信使、多波段、多学科、多装置的全球庞大科学体系，成为当今天体物理学最活跃的领域之一。

预计未来FAST可以发现5000颗新脉冲星， 加上国际望远镜的共同努力，一个万颗脉冲星新时代正在到来，人类认识宇宙将迈上新台阶。图为中国“天眼FAST”。

已知的毫秒脉冲星最快自旋周期是1.396 毫秒，低于10毫秒的脉冲星有300多颗。根据理论计算，最快的脉冲星周期可以达到不足1毫秒，如果能探测到这类亚毫秒脉冲星，其质量将较大、半径较小，使得其物态很有可能是夸克物质，这将是核力起主导作用的一种新天体。还有，银河系以外脉冲星的探测也将作为FAST未来观测的重点，随着FAST射电望远镜灵敏度的提高，探测其他星系短时间内产生巨脉冲信号脉冲星也成为可能，这对于研究脉冲星奇特的辐射机制非常有利。另外，对于一些年老的脉冲星，其辐射的流量较低，星体自旋周期大于10秒，这是难于发现的一类脉冲星。在FAST高灵敏度的前提下，探测年老脉冲星变为可能，这对于研究脉冲星晚期演化特性是至关重要的。预计未来FAST可以发现到5000颗新脉冲星，加上国际望远镜的共同努力，一个万颗脉冲星新时代正在到来，人类认识宇宙将迈向新台阶。

总之，可以预知的脉冲星观测将突破原有的样本数目，各种新型脉冲星天体将不期而至，我们正在迎接一个中国自主大科学装置发现时代的到来。中国科学正在经历换道超车，可以乐观地预见，“中国天眼”将引领世界进入一个万颗脉冲星研究、刷新宇宙认知的新时代。