建好2年多了,中国“天眼”FAST干了啥?

文章来自“科学大院”公众号

作者:钱磊

中国“天眼”500米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope,简称FAST)工程由我国天文学家于1994年提出构想,从预研到建成历时22年,由中国科学院国家天文台主导建设,是具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。

图:群山中的FAST(图片来源:http://lssf.cas.cn/)

自2016年9月25日,FAST宣告落成启用以来,已经进行了一段时间的调试观测。2017年8月,FAST实现了跟踪观测模式,标志着基本功能的实现。随后又逐步实现了设计的各种观测模式,测量和控制精度也得到了逐步提高。到近期,已经完成了工艺验收测试,还发现了一批脉冲星,包括毫秒脉冲星。

2019年3月18日,FAST第一批成果的专刊文章在预印本网站(arxiv.org)发布,这次,FAST向全国人民汇报了哪些成果呢?

FAST完成所有测试,性能达标

目前,FAST已经完成了验收所要求的所有工艺测试,性能指标达到了验收要求。

国际上的大型射电望远镜在落成启用之后都要经历一段调试期,在实际使用中逐渐发现问题,逐渐实现设计的性能指标。也就是说望远镜不仅是建设出来的,也是使用出来的。美国著名的GBT望远镜,经过了十几年才最终实现了设计时要求最高的那些性能指标。FAST也不可避免地要经过一个不断使用、不断优化的过程,才能成为一台优秀的望远镜。

举个例子,FAST的测量系统碰到的是前所未有的问题。在实际观测中,我们发现,在高差达100米的情况下,大气密度变化对测量用的激光束的折射已经影响到了测量精度。经过讨论和研究,天文学家决定通过使用相对的两台全站仪进行测量,最终平均解决了这个问题。

全站仪(图片来源:中国科学院国际天文台 于东俊)

姜鹏等人(Jiang et al. 2019, Sci. China-Phys. Mech. Astron., 62, 959502)对组成FAST的各个系统和关键部件进行了介绍。首先,文章分析了达到最终观测所需的性能指标,各个系统和关键部件所需要达到的性能指标。随后,详细介绍了测量系统调试在FAST台址特殊的大跨度、大高程差情形下碰到的大气折射的问题、主动反射面和馈源支撑系统的高精度控制问题和这些问题的解决过程。文章还介绍了接收机系统的测试以及望远镜整体的系统温度、效率、波束形状、指向测试的情况。

新发现脉冲星

FAST前期的观测成果主要集中在时域观测,主要是周期性信号和单脉冲信号的搜寻和分析。

通过这些周期信号和单脉冲信号的搜寻,FAST发现了一批脉冲星。钱磊等人(Qian et al. 2019, Sci. China-Phys. Mech. Astron., 62, 959508)代表项目团队报告了FAST发现的第一颗脉冲星的发现过程和基本参数。未来一旦积累了足够的脉冲星样本,预计还将发表FAST脉冲星星表。

目前,FAST脉冲星列表可以在FAST多科学目标同时扫描巡天(英文缩写CRAFTS)网站(http://crafts.bao.ac.cn/)查看。

脉冲星列表(图片来源:http://crafts.bao.ac.cn)

这个脉冲星列表给出了新发现脉冲星的基本信息,为其他望远镜进一步进行脉冲星计时观测提供了基础。

研究已知脉冲星的单个脉冲

除了FAST自己发现的脉冲星,FAST还对一些有趣的已知脉冲星进行了观测,这一方面是对FAST脉冲星观测系统进行检验,另一方面也为研究脉冲星的性质提供了难得的机会。

由于过去的望远镜灵敏度有限,通常研究脉冲星需要积累一段时间的脉冲才能分析脉冲轮廓,但脉冲星的单个脉冲中含有平均脉冲轮廓中没有的信息。FAST的高灵敏度使得研究一些脉冲星的单个脉冲成为可能。

卢吉光等人(Lu et al. 2019, Sci. China-Phys. Mech. Astron., 62, 959503)详细研究了三个旋转射电暂现源(Rotating radio transients, RRATs)的消零和多个频率的脉冲轮廓,对辐射束的形态给出了限制。

单个脉冲的时间序列(图片来源:Lu et al. 2019, Sci. China-Phys. Mech. Astron., 62, 959503)

出众的单个脉冲观测结果

FAST超宽带馈源调试期间,对一些脉冲星进行的单个脉冲的观测得到的脉冲轮廓的信噪比也优于其他望远镜。喻业钊等人(Yu et al. 2019, Sci. China-Phys. Mech. Astron., 62, 959504)报告了脉冲星PSR B0919+06的异常辐射现象(abnormal emission phenomenon)。卢吉光等人(Lu et al. 2019, Sci. China-Phys. Mech. Astron., 62, 959505)分析了脉冲星PSR B2016+28的脉冲轮廓。

FAST航拍图(图片来源:http://lssf.cas.cn/)

提出巡天策略

虽然前期取得了一些成果,但FAST未来稳定的科学产出还需要依靠系统性的巡天观测。FAST多科学目标同时扫描巡天(CRAFTS)就是基于这样的背景,经过多年论证提出来的。

在CRAFTS巡天的基本框架下,张凯等人(Zhang et al. 2019, Sci. China-Phys. Mech. Astron., 62, 959506)描述了巡天策略,根据FAST性能参数计算了巡天能达到的灵敏度,估算了巡天能发现的中性氢星系数量以及对星系的中性氢质量函数给出的限制。王洪丰等人(Zhang et al. 2019, Sci. China-Phys. Mech. Astron., 62, 959507)基于神经网络为CRAFTS巡天构建了一个脉冲星候选体分类系统,为搜寻巡天数据中的脉冲星信号做好了准备。这些工作是正式开展巡天的基础。

FAST巡天策略,19波束扫描巡天的轨迹(图片来源:Zhang et al. 2019, Sci. China-Phys. Mech. Astron., 62, 959506)

CRAFTS巡天预计在2019年5月正式开始。巡天完成后,将发现一批脉冲星、生成一张超越已有结果的大天区银河系中性氢分布图、发现一批中性氢星系,最为激动人心的是,巡天中可能会发现我们现在还没有想到的天体或现象。

结语

现在,FAST目前已经初步具备科学观测能力,未来要实现“多出成果,出好成果,出大成果”。除此之外,FAST团队将继续优化望远镜性能,进一步优化科学观测模式,继续催生更多天文成果,力争早日将FAST打造成世界一流水平望远镜设备,天文工作者们也将为我国的天文事业共同努力,贡献聪明才智。

作者单位:中国科学院国家天文台

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