对话脉冲星搜索组成员:将来可探测到数千颗脉冲星

2017年10月12日 09:45 大洋网-广州日报

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  脉冲星搜索组成员王培:

  将来可探测到

  数千颗脉冲星

  经过一年的调试,世界最大单口径射电望远镜——500米口径球面射电望远镜(FAST)终于观测到了“天外来客”。昨日,FAST首批成果新闻发布会在中国科学院国家天文台举行。国家天文台研究员李菂在会上表示,FAST探测到数十个优质脉冲星候选体,经国际合作,如利用澳大利亚64米Parkes望远镜,进行后随观测认证,目前两颗脉冲星已通过系统认证。这是中国人第一次使用自己的望远镜找到新的脉冲星。

资料图:FAST望远镜。 中新社记者 贺俊怡 摄资料图:FAST望远镜。 中新社记者 贺俊怡 摄

  文/广州日报全媒体记者肖欢欢

  记者:FAST发现脉冲星的意义是什么?

  王启明(FAST总工艺师):脉冲星是快速转动的中子星,而最快转动的周期达到毫秒量级,1.4毫秒。中子星是大质量恒星的演化产物,相当于十几个太阳的恒星在其核能燃烧耗尽以后,将经历超新星爆发,期间星体的核心部分塌缩成高度致密的中子星, 其质量大约一个太阳,而半径只有约10千米。打个比方,中子星相当于太阳系的全部质量压缩到一个城市。所以它的密度很高,一个乒乓球大小的中子星物质相当于喜马拉雅山的质量。其磁场也非常高, 达到万亿高斯, 即地磁场的万亿倍。所以,脉冲星可以作为天然的空间实验室,用来检验极端物理环境下的物质运动规律, 诸如验证强引力场的爱因斯坦广义相对论效应,包括引力波现象。中子星的高度致密物质物态还是检验核物理理论的极佳场所;其强磁场导致的电磁辐射现象也是等离子体物理的研究领域。

  此外,脉冲星的转动是高度稳定的,自转周期极为稳定,其周期变慢一秒大约需要千万年时间, 这与实验室制备的氢原子钟一样稳定,堪称宇宙最精准的钟或 “宇宙灯塔”,成为人类测量宇宙的探针。 基于这一性质,脉冲星可以作为导航时间信标参考。之前发射的脉冲星导航试验卫星XPNAV-1就是应用案例。

  可以利用脉冲星去研究黑洞周围的神秘空间。对脉冲星进行观测,不仅能够研究脉冲星自身的极端物理状态,还能对星际介质、银河系磁场、引力波等目标进行研究。也正因为脉冲星的特殊性,诺贝尔物理学奖两度授予了脉冲星相关发现。

  目前已知的2700多颗脉冲星中,大部分脉冲星是澳大利亚Parkes望远镜使用多波束接收机通过巡天观测找到的。

  记者:FAST的接收机目前是单波束的,将来会不会安装多波束的接收机?

  王启明:现在我们用的是6台单波束的接收机,因为去年9月份以来一直在进行调试,其实到现在还在调试之中。我们也有一台19波束的接收机,最快的话大概今年年底就会安装好。多波束接收机装好以后,一个望远镜能顶好几个用,到时候,我们观测脉冲星的能力就会大大提高。由于我们FAST的灵敏度非常高,所以将来能探测到的脉冲星会非常多,之前专家也预测过,能达到几千颗。

  记者:这次FAST探测到数十个优质脉冲星候选体,为什么只有两个得到认证?

  王启明:这主要是出于从科学上的严谨出发,其实我们在几个月前就已经探测到了脉冲星信号,但要跟之前别人探测到的进行区分,还要由别的国家的望远镜进行进一步验证。打个比方,如果你最后探测到的只是其他的干扰信号,你就仓促公布了,那最后不就成了笑话了吗?所以,我们本着严谨的科学态度,经过其他国家的科学机构的验证之后,我们才公布这个消息。

  此外,要在几万张,甚至几十万张类似的图片中找出一张脉冲星的信号,这个工作量是非常大的。

  记者:FAST是如何观测到脉冲星的?

  王培(国家天文台助理研究员、脉冲星搜索组成员):脉冲星的脉冲就像人的脉搏一样,是稳定出现的短促的无线电信号,比如,被人类发现的第一颗脉冲星,每两脉冲间隔时间是1.337秒,其他脉冲还有短到0.0014秒的,最长的也不过十多秒。每当脉冲星辐射扫过地球, 地面的射电望远镜就收到一个信号, 地面上的望远镜就会记录到像“心电图”一样的系列脉冲。

  脉冲星由于其信号暗弱,易被人造电磁干扰淹没,目前只观测到一小部分。脉冲星发出的脉冲在到达地球之前,会受到银河系空间中的星际介质影响,发生“色散”。色散效应会导致脉冲星高频的电磁波比低频的电磁波先到达地球。为了能够得到高信噪比的脉冲信号,我们需要在数据处理的过程中抵消掉色散带来的延时,进行去干扰、“消色散”。大家现在看到的脉冲信号图,都经过了后期的很多处理。因为我们也不知道脉冲星在哪里,参数是多少,我们要去辨别它的参数空间,经过地毯式搜索,最后得到具有脉冲星特征的信号规律,也就是现在看到的这些脉冲波形。

  记者:使用19波束接收机后,将来是否可发现更多脉冲星?

  王培:是的。观测能力会大大提高,但这些天上的东西,能观测到多少要看运气,现在要说一个准数,也不是太靠谱。当然,在已经发表的学术期刊文章上,很多国内外的专家进行过预测和模拟,随着接收机性能的改进和设备调优,会有不同的模拟结果,最多的是几千颗。当然,这依赖于设备调优的结果,我们的搜索策略,以及我们的运气。

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