神秘未知的事物，似乎總有一種魔力，吸引人類在探索的道路上前赴后繼。天文便是如此：在廣袤的宇宙中，經(jīng)常有一股電波襲來，僅僅閃現(xiàn)幾個毫秒。沒人知道，它究竟是什么。

2007年，天文學(xué)家在分析澳大利亞64米射電望遠鏡2001年記錄的信號中，發(fā)現(xiàn)了這樣的毫秒電波。隨后，天文學(xué)家一直試圖尋求真相：誰發(fā)出了電波?如此快速閃現(xiàn)的電波，究竟包含了什么信息?

經(jīng)過大約10年的探尋，天文學(xué)家收集了30多個爆發(fā)源，它們在太空幾乎是隨機分布的，因此斷定“這些毫秒電波閃現(xiàn)源中的絕大多數(shù)，并非銀河系內(nèi)的天體發(fā)出”。2017年，國際天文學(xué)家終于捕獲到一個毫秒無線電爆發(fā)，利用世界多臺大射電望遠鏡聯(lián)合探測，將這個重復(fù)爆發(fā)的無線電快速閃現(xiàn)源，定位到宇宙深處30億光年之外的一個星系。

那些年，在這個前沿領(lǐng)域，中國沒有太多的話語權(quán)。因為中國沒有足夠大的射電望遠鏡，我國天文學(xué)家便很難拿到第一手資料，所以他們中的大多數(shù)，做的是理論研究。

2016年，被譽為“中國天眼”的FAST(500米口徑球面射電望遠鏡)竣工，其反射面相當于30個足球場，經(jīng)過3年調(diào)試，無可爭議地成為世界最靈敏的射電望遠鏡，大大拓展了人類的視野，也讓中國天文學(xué)家終于有機會走到人類視界的最前沿。

如今，F(xiàn)AST望遠鏡已經(jīng)對國內(nèi)天文學(xué)家開放，一個又一個原創(chuàng)突破接連“冒”了出來。還記得“誰發(fā)出了毫秒電波”這個科學(xué)問題嗎?FAST望遠鏡給出了最新觀測，中國天文學(xué)家就此揭示了宇宙毫秒無線電爆發(fā)的新物理，相關(guān)成果論文連續(xù)兩次登上國際學(xué)術(shù)期刊《自然》。

為兩大爭鋒“一錘定音”

故事要從一年前說起。

據(jù)北京大學(xué)教授、中科院國家天文臺研究員李柯伽介紹，在2019年FAST望遠鏡的嘗試性開放觀測中，研究團隊便希望利用FAST望遠鏡，觀測一個澳大利亞2018年3月1日探測到的爆發(fā)源FRB 180301，看看這個源是否會重復(fù)爆發(fā)。

幸運的是，2019年7月16日，一個2小時的FAST望遠鏡觀測，如愿探測到了4次爆發(fā)。

“這個結(jié)果讓人激動!”中科院國家天文臺研究員韓金林說。

然而，在9月11日的4個小時觀測過程中，研究團隊竟然什么信號也沒有探到。

課題組內(nèi)部研究后，發(fā)現(xiàn)原先澳大利亞報告的爆發(fā)源位置存在，隨后調(diào)整了觀測策略，將望遠鏡對準的新的位置，并記錄偏振信號。

很快，策略調(diào)整的效果顯現(xiàn)了。

在2019年10月6日和7日，F(xiàn)AST望遠鏡在6個小時內(nèi)探測到11次爆發(fā)。統(tǒng)計下來，在共計12個小時的觀測時間里，F(xiàn)AST望遠鏡探測到15次閃現(xiàn)，每次電波閃現(xiàn)的強度曲線也各不相同。

“這個爆發(fā)源，與那個30億光年外的爆發(fā)源距離類似、無線電爆發(fā)率類似，但強度要暗弱很多。”北京大學(xué)和中科院國家天文臺聯(lián)合培養(yǎng)博士羅睿說。

更讓人欣喜的結(jié)果，來自對11次爆發(fā)電波的高靈敏度偏振信號解析。

北京大學(xué)和中科院國家天文臺聯(lián)合培養(yǎng)博士姜金辰說，F(xiàn)AST望遠鏡觀測的11個爆發(fā)信號中，有7個毫秒閃現(xiàn)爆發(fā)，能夠很好地解析出其偏振。令人激動的是，這7個偏振不僅是變化的，而且呈現(xiàn)出變化的多樣性。如此變化的偏振，在早先的重復(fù)爆中是從未看到過的。

“這些也再次說明，F(xiàn)AST望遠鏡裝配的接收機偏振測量能力非常好。”李柯伽說。過去，世界上的望遠鏡僅僅對“30多個爆發(fā)源中的幾個”記錄了偏振信號，能夠詳細研究的樣本非常少。先前的探測看到：重復(fù)爆發(fā)源要么表現(xiàn)出平平的偏振角，即電波的極化面不變;要么是偏振角變化的現(xiàn)象，僅在一次性爆發(fā)源中看到過兩次。

如今，F(xiàn)AST望遠鏡觀測到的偏振變化多樣性，則明確說明：宇宙中的爆發(fā)源可能來自致密星體磁層中的物理過程。這個觀測結(jié)果，直接對一批國際學(xué)者關(guān)于爆發(fā)來自粒子沖撞的理論提出挑戰(zhàn)，為近幾年兩大門派的理論爭鋒一錘定音。

這一研究成果的論文，已于北京時間2020年10月29日凌晨發(fā)表于《自然》雜志。

揭開宇宙毫秒無線電爆發(fā)新物理

2020年4月，F(xiàn)AST望遠鏡迎來了一位新的使用者——北京師范大學(xué)講師林琳。她也是FAST望遠鏡近期另一篇《自然》論文的第一作者。

林琳及其所在的團隊，提出了對銀河系磁星SGR J1935+2154軟伽馬射線重復(fù)暴源的觀測申請。FAST望遠鏡對此進行了持續(xù)監(jiān)測。

然而，在該磁星的X、軟伽馬射線爆發(fā)活躍期，特別是29個軟伽馬射線暴對應(yīng)的精確時間節(jié)點上，F(xiàn)AST望遠鏡并未探測到任何源射電輻射。

“這在一定程度上說明，宇宙中致密天體不同波段的爆發(fā)時，物理條件非?？量?，無線電與伽瑪光子不能同時掃過地球。”據(jù)聯(lián)合研究團隊成員、中科院國家天文臺助理研究員王培介紹，F(xiàn)AST望遠鏡結(jié)合此前的探測，給出了這一快速射電暴源迄今最嚴格的射電流量限制。

所謂快速射電暴，是目前已知宇宙中射電波段最明亮的爆發(fā)現(xiàn)象，持續(xù)時間極短，通常只有幾毫秒，能量釋放量巨大，至今尚未有其起源的明確解釋。

王培說，這一領(lǐng)域的關(guān)鍵是認證其對應(yīng)體。磁星是高度磁化的特殊中子星，2020年4月28日，加拿大的氫強度測繪實驗望遠鏡，第一次在銀河系內(nèi)磁星SGR J1935+2154探測到了毫秒級射電脈沖暴發(fā)FRB 200428，追蹤到磁星與快速射電暴之間的聯(lián)系。如今，F(xiàn)AST望遠鏡觀測結(jié)合了國際多波段設(shè)備，結(jié)果表明，F(xiàn)RB與SGR暴發(fā)具有較弱的相關(guān)性。

“FAST望遠鏡的測量結(jié)果，對研究快速射電暴的起源和物理機制，起到重要的推動作用。”王培說。

這一研究成果，已于北京時間11月5日凌晨在線發(fā)表在《自然》雜志。

“走上‘出大成果’的攀登之路”

隨著一系列關(guān)鍵技術(shù)的突破，F(xiàn)AST望遠鏡于2020年1月11日通過國家驗收，標志著望遠鏡所有技術(shù)指標都已經(jīng)達到設(shè)計要求，并已經(jīng)具備了開放運行的條件。

FAST運行和發(fā)展中心常務(wù)副主任、總工程師姜鵬說，目前，F(xiàn)AST望遠鏡設(shè)施運行穩(wěn)定可靠，近一年已經(jīng)觀測服務(wù)了超過5200個觀測機時。

談及這一穩(wěn)定觀測的數(shù)據(jù)時，姜鵬專門提到地方政府的貢獻：“貴州省委省政府，在望遠鏡電磁環(huán)境保護方面作出了非常大的犧牲。”他說，當?shù)卣涮踪Y金解決了FAST望遠鏡的雙回路供電、地災(zāi)治理等問題，在周邊布設(shè)20多個防雹站，為望遠鏡安全運行默默無聲地作著貢獻。

2020年2月，F(xiàn)AST正式啟動了科學(xué)委員會遴選出的5個優(yōu)先和重大項目，已經(jīng)有近200家科學(xué)用戶開始使用并處理FAST的科學(xué)數(shù)據(jù)。4月，F(xiàn)AST時間分配委員會開始向國內(nèi)天文界征集自由申請項目。

“我們已經(jīng)接到170余份申請，申請的總時間約5500個小時，實際批準1500個機時——只有近30%能得到支持，可見FAST望遠鏡觀測時間競爭相當激烈。”姜鵬說。

中國科學(xué)院院士、FAST科學(xué)委員會主任武向平說，隨著性能的提升，F(xiàn)AST的科學(xué)潛力逐步顯現(xiàn)。

在他看來，F(xiàn)AST的歷史最強絕對靈敏度，使其在射電瞬變源方面具有重大潛力。截至目前，基于FAST的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)的脈沖星超過240顆，在同一時間段世界第一，發(fā)表的高水平學(xué)術(shù)論文超過40篇——

今年4月，中科院國家天文臺研究人員利用FAST觀測數(shù)據(jù)，在球狀星團M92中最新發(fā)現(xiàn)一個典型的“紅背蜘蛛”脈沖雙星系統(tǒng)M92A，其距離地球約2.6萬光年，這也是在M92中首次探測到的脈沖星。該發(fā)現(xiàn)還被美國天文學(xué)會選為亮點研究成果。

5月，中科院國家天文臺研究員朱煒瑋、李菂等與合作者利用自主研發(fā)的搜尋技術(shù)，結(jié)合深度學(xué)習(xí)人工智能，對FAST海量巡天數(shù)據(jù)進行快速搜索，首次發(fā)現(xiàn)一個新的快速射電暴。

7月，中科院南美天文中心程誠等科研人員利用FAST的19波束接收機，對一批低紅移恒星形成星系樣本中的4個星系進行先導(dǎo)觀測，首次探測到3個星系的中性氫發(fā)射線。

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，對引力波的探測成為天文學(xué)界的熱門話題。武向平說，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時陣列，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。

“受益于FAST超高靈敏度，我們已經(jīng)將脈沖星的測時精度提升至少一個數(shù)量級，這有望讓人類首次具備納赫茲引力波的探測能力。”武向平說，“可以說我們已經(jīng)走在‘出大成果’的攀登之路上。”

他同時表示，當下取得的成果，只是證明了FAST望遠鏡科學(xué)產(chǎn)出所能達到的高度，“但這不應(yīng)該是終點，而是一個新的起點”。

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