中国脉冲星观测研究的发展历程

1967年发现脉冲星轰动世界。发现者之一的休伊什获得1974年诺贝尔物理学奖。随后脉冲星的观测研究成为国际最热门的研究领域之一。当时我国天文界无人问津，直到1976年才有关于脉冲星的研究论文发表，而脉冲星的观测研究一直处于空白状态。

拉开脉冲星观测研究的序幕

1988年我到澳大利亚使用Parkes的64米射电望远镜观测脉冲星很成功，获得南天脉冲星偏振观测最大的一个观测样本，随后发表了3篇观测结果的论文。合作者曼彻斯特（R. N. Manchester）教授是澳大利亚国家射电天文台的首席科学家，莱恩（A. G. Lyne）教授是英国焦德尔班克射电天文台台长，后来他们都成为了各自国家科学院的院士。

这次观测工作的成功打开了中国学者利用国际大型射电望远镜观测脉冲星的大门。我开了眼界，学到很多知识和技能。1990年，北京天文台15米射电望远镜基本建成，王绶琯院士召开座谈会，讨论观测研究课题。我提出观测脉冲星的建议，得到王院士的认可，很快成立了研究小组，指定由我和金声震两人负责。小组成员有康连生、黄茂海、吴海娃、韩金林和贺龙松。虽然观测设备极其简陋，与国际水平相差很远，但这一观测实验是改变我国空白状态的第一次冲刺。我们很愿意为之付出。王绶琯院士也非常关心这个课题。

15米射电望远镜的天线当时还不能跟踪观测，只能当中星仪使用。金声震指导黄茂海完成了一块脉冲星观测专用的单频率通道数据采集板，成为关键部件。因陋就简，凑齐了我国第一台观测脉冲星的简易设备。大冬天开始观测，一切都在室外进行，很是艰难。但最大的困难却是电磁干扰严重。这个很窄的频段属于射电天文的保护频段，很多单位都在用，造成干扰。午夜以后干扰情况好一些，终于观测到两颗脉冲星的周期性信号，观测结果发表在北京天文台台刊上。由于干扰问题始终存在，无法解决，王绶琯院士最后决定结束实验观测。

我国首个脉冲星观测基地

北京的实验没有成功，但希望并没有破灭。上海天文台和乌鲁木齐天文站都欢迎我们去观测脉冲星，我们选择去乌鲁木齐天文站（下简称乌站）继续实验。

在乌站南山观测脉冲星一举成功

1996年春节前2周，我和北台康连生高工来到乌站。25米射电望远镜跟踪自如，口径比较大，特别是没有电磁干扰，观测一举成功，很快就在《天体物理学报》发表了4颗脉冲星观测成果的论文。作者是吴鑫基、康连生、金声震、李素琴、王娜、加尔肯、张洪波、王维侠和郭立智。

观测成功，最高兴的要数站长张晋。他一心要开展单天线的观测课题，开始得到实现。不仅望远镜得到充分利用，还拥有自主研究项目。我深知我们的脉冲星接收终端非常简陋。要尽快研制先进的接收系统，观测波段选择18厘米，即L波段。还必须着手培养研究骨干，我很看好王娜，乌站已准备派她去澳大利亚一年学习分子谱线，还没有联系上接收单位。我建议她改学脉冲星，得到张晋的同意。当年10月王娜就到了著名脉冲星专家曼彻斯特教授那里学习。

当时的设备能对10多颗脉冲星进行长期监测，可以获得一些研究成果。张晋站长把派到北京天文台“青年小组”工作表现很好的艾力·伊调回乌站。这位毕业于北京师范大学天文系的維族青年朝气蓬勃，愿意接受挑战。从头做起，他很快就进入状态，还有所创新，将灵敏度提高了约一倍。借用北京天文台的49厘米波段前置放大器，又增加了一个新的观测波段。陆续发表了10多篇论文，其中一篇在国际著名期刊《天文与天体物理》（A&A）上发表。经张晋站长推荐，艾力考上了北京大学博士，由我与英国莱恩教授共同指导，使他获得到英国焦德班克射电天文台学习一年的机会。艾力·伊在脉冲星研究方面工作出色，很快晋升为研究员，他也是当时新疆台唯一有天体物理光学观测研究经历的人。

脉冲星接收设备立项

我们决定研制一套“18厘米波段双偏振制冷式消色散接收设备”，要求达到世界一流水平。曼彻斯特教授来信表示尽力相助，从澳、英引进先进技术是没有问题了，最大的困难是如何获得200万经费。

张晋站长拜托我张罗乌站脉冲星课题的发展事宜，授权我代表乌站与国内外同行讨论有关脉冲星研究合作及邀请外宾访问乌站事宜。

1997年初，中科院射电天文联合实验室召开学术委员会会议，请我作关于我国脉冲星观测研究发展建议的报告。我就正式提出乌站研制脉冲星接收设备的建议，得到学术委员会的支持。但经费需要我们多渠道去争取。这200万元的经费真使我们为难，前景渺茫。

1997年2月，我第二次访问香港大学物理系。郑广生教授得知乌站的脉冲星观测获得成功，非常高兴。他的博士论文给出的脉冲星辐射外间隙模型非常有名。当得知我因缺少经费而着急时，他立即表态可以马上提供急需的2万美元，其余的第二年申请基金。

这2万美元的资助非同小可，中科院随之匹配资助约20万元的经费，第一阶段所需的经费就有了。我们相信，如果第一阶段成果丰硕，第二阶段的经费向中科院申请就容易得多。

郑广生提议签订一个中、澳、英合作的书面协议，于是由我起草合作协议初稿，曼彻斯特教授修改定稿，这就是“三国五方协议”的由来。目标很明确，就是帮助乌站研制一套18厘米波段制冷式双偏振消色散脉冲星接收系统。澳、英将无偿提供先进技术、软件系统和观测样本，香港大学提供部分经费。协议由乌站的张晋、北京大学的吴鑫基、香港大学的郑广生、澳大利亚的曼彻斯特、英国的莱恩签字，北京大学和乌站还盖了单位公章。协议包括王娜到澳大利亚学习工作一年的任务，从1996年10月开始执行。

乌站建成我国第一个脉冲星观测基地

正当中国的天文工作者纷纷去国外进修、访问、观测的时候，乌站的脉冲星观测项目却把两位国际顶尖学者吸引到国内的项目中来了，都到乌站访问和工作过，曼彻斯特最积极，几乎每年都要访问乌站和北京大学，贡献最大。

我们的“脉冲到达时间的观测”课题需要非常多的观测时间进行不断的重复观测，1年、2年、10年，甚至几十年，大型射电望远镜无法接受这样的课题，然而乌站的25米望远镜却容易做到，这使我们在国际竞争中具有很大的优势。

合作项目分为两个阶段实施：首先研制室温系统，灵敏度比单频率通道系统提高15倍；第二阶段研制制冷系统，灵敏度再提高5倍，达到1毫央斯基（mJy）的灵敏度。

第一阶段工作分4部分：由莱恩教授负责在英国研制消色散接收和数字化系统；乌站派艾力·玉去澳大利亚研制降频转换器，由曼彻斯特教授指导和安排应用64米射电望远镜进行与消色散接收系统的联测；由张晋负责在乌站研制双偏振前置放大器、标准时间系统等；在北京大学的王娜负责引进观测软件、以后的观测和撰写论文。第一阶段完成后，开始对74颗脉冲星进行“脉冲到达时间”的监测，不断获得可以发表的观测结果。

第一阶段工作结束后，合作项目完成了14篇论文，其中8篇的第一作者是王娜。在天文学界顶级期刊英国的《MNRAS》上发表的长篇论文成为中国望远镜脉冲星观测进入世界行列的标志。

由于第一阶段的成果丰硕，乌站向中科院申请150万经费，在众多项目中脱颖而出，获得批准。乌站派出孙正文和王维侠两位工程师去澳大利亚国家射电天文台，由澳方提供设计并给予指导。完成了制冷式前置放大器的研制，并将其运用在64米射电望远镜上进行测试，性能超过规定指标。此举又使乌站观测脉冲星的灵敏度提高了5倍，并立即开展对280颗脉冲星的监测，观测研究又上了一层楼。

乌站以很快的速度建成我国第一个以18厘米波段为主的具有多波段观测能力的脉冲星观测基地，实现跳跃式发展，在观测设备、观测成果和人才成长三方面获得丰收。在国际著名期刊上发表乌站脉冲星观测成果已屡见不鲜。王娜也成长为脉冲星研究的学术带头人，并任新疆天文台的台长。2002年7月1日三国五方第二个合作协议签字仪式在乌鲁木齐隆重举行，开始了新一轮的合作。

由王娜牵头提出建造口径110米的奇台射电望远镜（QTT）。在最短工作波段、主动光学系统、跟踪精度、站址条件等方面对标目前世界第一的美国格林班克望远镜。这是一台能与FAST比美的望远镜，灵敏度不如FAST，但观测天区范围和观测频率范围远远超过FAST，相互补充，不可或缺。QTT已经引起国际科学界的高度重视，2022年末英国《自然》期刊在展望2023年最值得关注的重要科学事件中包括了奇台望远镜的开工建设。QTT的开工建设首先应该归功于王娜为首的一批年轻人。他们提出和推进这个项目，坚持高标准，绝不后退。经过十几年的预研究，终于正式立项，开工建设。没有王娜等的努力和坚持就不会有奇台射电望远镜。

我国天文界掀起观测脉冲星的热潮

王绶琯院士对乌站脉冲星观测给予很高的评价：“其重要学术意义还在于，用小望远镜做了一项重要的学科开拓，带动了我国脉冲星实测研究。” 当今我国几乎所有天文台都已启动脉冲星的观测研究。

陕西国家授时中心40米射电望远镜

国家授时中心的前身是陕西天文台，主要从事“时间”工作。脉冲星准确的周期提供了一种时间的标准，称为“脉冲星钟”。1996年乌站观测脉冲星成功，陕西天文台的反应很强烈。多次举办学术会议商讨陕台脉冲星观测事宜，杨廷高研究员说：“1999年，王绶琯和苏定强、吴鑫基等交换意见之后，提出在国家授时中心建设4面直径各为50米的子午仪式射电望远镜，专门用于脉冲星钟的研究。”其设计优点是：接收面积达到直径100米射电望远镜的观测能力，技术比较简单，造价比口径100米的低得多。

陕西天文台采纳了王绶琯的方案，进行了选址，最终因为经费问题未能实现。2014年国家授时中心研制了口径40米的可跟踪射电望远镜，主要用于脉冲星的观测研究，兼顾分子谱线和VLBI观测，台址选在邻近西安的洛南县。40米天线配备了国家天文台为他们研制的接收机和脉冲星终端设备。罗近涛研究员主持研制的数字化脉冲星终端非相干消色散模式和相干模式两种设备，进一步提高了观测脉冲星的能力。

国家天文台50米脉冲星射电望远镜

王绶琯院士一直关心我国脉冲星的观测研究，21世纪初提出在北京密云建造50米口径脉冲星射电望远镜，完成了天线的设计，启动了接收机的研制。2004年由于我国嫦娥探月工程启动，只好忍痛割爱，把天线让给了探月工程。金乘进博士负责的团队研制完成了脉冲星接收机系统。虽然没有在50米望远镜上展现，但他们所练就的本事和积累的经验在后来的贵州500米射电望远镜（FAST）的接收设备的研制和国际合作中得到了充分发挥。为50米望远镜购置的脉冲星数字滤波器（PDFB）消色散设备成全了云南天文台，大大提高了云南天文台观测脉冲星的能力。国家天文台还为国家授时中心洛南40米射电望远镜研制了一套射频电路及脉冲星终端设备。

云南天文台40米射电望远镜

云南天文台在2006年为探月工程建成了40米口径射电望远镜，其口径比新疆天文台的大，所在地的纬度又比乌鲁木齐低，能观测较多的南天脉冲星，因此天文界寄予厚望。

2008年，“嫦娥一号”上天，云南天文台完成测轨任务后，开始进行脉冲星观测实验。当年10月我受邀访问云南天文台，促成了云南天文台和乌站进一步的合作，系统讲授脉冲星知识和参与课题组的讨论。令人高兴的是，在我离开昆明的前一天，他们成功地观测到脉冲星，之后陆续得到9颗脉冲星的平均脉冲轮廓。

2011年他们与国家天文台合作，利用国家天文台的PDFB使观测灵敏度有很大的提高。2012年开始，国家天文台岳友岭和北京大学李柯伽、卢吉光相继与云南天文台合作，射电望远镜观测能力又有提高，获得90余颗脉冲星的平均轮廓。2016年，射电望远镜新增C波段馈源和C波段制冷接收机，成功地实现了对9颗脉冲星的观测。

2020年9月，云南天文台景东120米口径脉冲星射电望远镜正式启动。这是国际上口径最大的可跟踪射电望远镜。由于脉冲星观测不需要在太高的频率，望远镜技术要求和建造成本都会降低很多。

上海天文臺65米射电望远镜

2012年10月上海天文台65米射电望远镜建成，这是我国第一台进入国际先进行列的可跟踪射电望远镜，亚洲最大，其观测性能并列世界第4。也是我国首次采用主动光学技术，使得高频观测的效率大大提高。优于澳大利亚的64米射电望远镜。上海天文台是我国甚长基线干涉仪网的中心、欧洲网的最早参与者，65米射电望远镜的建成使我们在欧洲网以及与其他网联测中起着更重要的作用。

上海天文台台长沈志强是建造65米射电望远镜（天马望远镜）的首席科学家。望远镜建成后，组建了由他领导的脉冲星研究小组。2013年我被正式邀请加入他们的脉冲星小组，不久，曼彻斯特也参与其中。除了协助指导研究生的工作，我们的主要任务是在8.6，5.0，2.3吉赫兹频段上的脉冲星观测研究。已经有很多观测成果，仅在著名期刊APJ上就发表了5篇论文。

我国脉冲星观测更上一层楼

2016年FAST建成，成为世界上口径最大的射电望远镜。到目前为止，全世界50多年累计发现的射电脉冲星超过3000颗，而FAST的观测能力将会超过这个数字，目前已经观测发现约740颗。FAST首席科学家南仁东对脉冲星的观测研究特别重视，曾邀请我参加FAST科学目标专家组，负责撰写脉冲星相关文件，最后由他亲自修改定稿。在FAST建造阶段，他就组织观测脉冲星的队伍，在试观测阶段就发现了很多颗脉冲星。

再过几年，云南景东120米脉冲星射电望远镜和新疆奇台110米射电望远镜建成，将与上海65米射电望远镜一起组成世界上最强大的全可动射电望远镜群。它们的优点是灵敏度高，能够对射电源进行长时间的跟踪观测，而且覆盖的天区范围比FAST大很多。其中奇台望远镜和天马望远镜的频率覆盖能达到毫米波。FAST与这3台大型射电望远镜相互配合，将使我国的脉冲星综合观测能力位居世界领先地位。

关键词：脉冲星观测 射电望远镜 FAST ■