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“中国天眼”向全世界邀约:一起观宇宙


 加入时间:2021/4/12 9:35:03 来源:kepu 作者:luru  访问量:22

 来源:科普时报位于贵州省平塘县大窝凼的“中国天眼”,简称为FAST,是目前全球最大且最灵敏的单口径射电望远镜,综合性能是其他射电望远镜的10倍以上,能够接收到100多亿光年以外的电磁信号,极大拓展了人类对宇宙的观测极限。那么,我们为何要建造如此之“大”的射电望远镜?“中国天眼”又是如何观测星空的?

科学家为何执著于射电望远镜

当前人们探知宇宙天体信息的渠道主要有四种:电磁辐射、宇宙线、中微子和引力波。其中,电磁辐射是最为古老也最为主要的探测手段,望远镜便是我们认识广袤宇宙的至关重要的仪器。我们知道,电磁波远不限于可见光,然而并非所有波段的电磁波都能到达地球表面,地球大气阻挡了来自宇宙空间的大部分电磁辐射,仅可见光和一部分红外线以及射电波段的电磁辐射能到达地球表面,光学和射电这两个大气透明窗口便成为了天文学观测的重要波段。

人们对于可见光波段的观测历史悠久,17世纪初,伽利略首次将望远镜伸向星空。20世纪30年代,无线电工程师偶然发现了宇宙中的射电信号,此后,射电天文学逐渐发展起来。20世纪60年代,天文学观测中极为重要的“四大发现”:脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射和星际有机分子,都与射电望远镜有关。可以说,射电望远镜在当今天文学的研究中至关重要。

为何要建造如此巨大的射电望远镜

天文望远镜最主要的参数是望远镜的口径,望远镜的口径决定了望远镜的极限角分辨率和集光能力。

极限角分辨率说的是仪器能分辨的最小细节的能力。点光源经过光学仪器后,由于衍射的影响,所成的像不是一个点,而是一个明暗相间的圆形光斑,即艾里斑。当一个艾里斑的中心与另一个艾里斑的第一级暗环重合时,刚好能分辨出两个像,由此给出光学仪器的最小分辨角。望远镜的极限角分辨率由瑞利判据给出,仪器的最小分辨角与仪器口径成反比,与观测波长成正比,即口径越大,极限角分辨率越高,对于相同的角分辨率要求,观测波长越长,则对仪器的口径要求越大。同时,由于受到大气湍流等因素影响,大口径望远镜的实际分辨率常小于其极限分辨率。中国天眼的观测频段在70MHz—3GHz,为射电波段。射电波段波长约为光学波段波长的上百万倍,因此我们需要将射电望远镜建造的如此之巨大。

除提高分辨能力外,望远镜的另一个作用便是增加聚光,即增加我们能接收到的光子总数,体现了望远镜的灵敏度。望远镜聚光的能力称为望远镜的集光能力。望远镜的集光能力与口径的平方成正比,与望远镜的焦距无关。因此,为观测宇宙深处的微弱信号,也要求建造超大口径的望远镜。当然,望远镜的灵敏度还受到诸多因素的影响,包括反射面的材料、组装设计等,同时为了使得如此巨大的望远镜能实现跟踪观测等功能,“中国天眼”团队在技术上攻坚克难、开拓创新,最终使得中国天眼的综合性能是此前被称为“美国天眼”的350米口径的阿雷西博射电望远镜的10倍。

超大“天眼”的巨大威力

 “中国天眼”于2016年9月落成启用,2017年10月首次发现两颗新脉冲星,截至目前已发现脉冲星300余颗。人类首次发现脉冲星是在1967年,50多年来,人类总共发现的脉冲星约2700颗。脉冲星在星体坍缩、磁层粒子加速机制等基础科学研究领域及星际导航等应用研究方面都具有极其重要的意义。搜寻和发现脉冲星是“中国天眼”的核心科学目标,包括银河系内脉冲星的探寻,以及对仙女座大星系(距银河系最近的河外星系)进行跟踪观测,以期捕获银河系外的第一颗脉冲星。

银河系中大量的脉冲星因其信号暗弱,目前观测到的只是其中很小一部分,而“中国天眼”的超高灵敏度则是发现脉冲星的一大利器。“中国天眼”已发现的脉冲星,大部分来源于一种叫漂移扫描的观测模式。漂移扫描可以被称为“盲搜”,就像我们夜晚扫视星空一样。结合深度学习人工智能,天文学家可以对海量巡天数据进行快速搜索。另一种常用观测模式叫跟踪,就像我们盯着一颗星星看。对仙女座大星系中性氢成像和脉冲星的搜寻,一方面是为了进一步揭秘距银河系最近的代号M31的这个河外星系,另一方面天文学家希望通过跟踪来捕获银河系外的第一颗脉冲星。

 “中国天眼”还以其超高的灵敏度优势,通过盲搜发现了来自宇宙深处的快速射电暴新源。该源展现出极为罕见的三峰结构。根据其高色散量估算,该信号可能来自距地球约百亿光年的宇宙深处。快速射电暴是一种持续仅数毫秒的未知射电暴发现象,当前人们对其了解还极其有限,对于其如何产生、究竟在哪发生都知之甚少。“中国天眼”的高灵敏度特性有望捕捉到更多的快速射电暴,探测到快速射电暴的更多细节信息,揭开快速射电暴的来源之谜。

此外,“中国天眼”承担的主要科学任务还包括:巡视宇宙中性氢,天体超精细结构研究,星际分子探测及搜索可能的星际通信信号。可见,为了捕捉到宇宙那一闪即逝的瞬间,我们确实需要一只这样巨大的天眼。随着曾经“世界第一”的美国阿雷西博望远镜在去年发生坍塌,“中国天眼”已经成为全球唯一的超大型射电望远镜,“中国天眼”面向全球科学界开放申请,向世界表明了中国开放包容的大国姿态,在探索未知宇宙的道路上,只有充分汇集各方智慧,精诚合作,取长补短,才能让这只巨大的天眼发挥出更加强大的威力。

 




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