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南仁东的FAST射电望远镜1200天找到102颗脉冲星,做什么用?

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经过了几年的测试和系统调试,在克服重重困难、闯过无数技术难关后,2020年1月11日,有“中国天眼”之称的500米口径球面射电望远镜(FAST)终于通过验收,正式投入运行了。这是我们为数不多的大科学装置,是一个了不起的科学成就,许多人都为之自豪。

从2017年9月起,在正式投入运行之前的1200天时间里,FAST就已经发现了146颗脉冲星候选体、确定了其中102颗脉冲星,其效率是国外最先进望远镜的十倍以上。

南仁东的FAST射电望远镜1200天找到102颗脉冲星,做什么用?

中国天眼FAST

有朋友对此很不理解,抱怨说,这么多科学家花这么多时间这么多钱,就为了在天上找几颗看不见的星星,值得吗?脉冲星又不能吃,拿来干嘛用?

爱好天文的你对类似的怨言或许不屑一顾,考虑到这是许多人心中的疑问,我觉得还是有必要说道说道。

脉冲星是啥?

这是一个很基础的问题,许多人都知道答案。

在我们的宇宙中有无数颗星星。平时我们看得见的是恒星,它们发出耀眼的可见光,白天我们抬头能望见太阳,太阳是恒星。夜晚,只要天气好能见度好,我们能看见满天的星斗,它们多是恒星(其间也有三两颗行星)。

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人与宇宙

科学家们说,恒星其实只在宇宙中占极少的质量。宇宙中96%以上是我们看不见的暗物质和暗能量,只有不到4%是由重子构成的物质,而这4%中的不到1%才是我们能看见的发光的恒星。

打个比方,你去超市买一大瓶可乐,假设它就是一整个宇宙的话,恒星只是其中的一滴水。其它的呢?其它的我们全看不见!

重子包括质子中子等物质,我们所知道的一切物体都是由重子构成的。宇宙中4%的重子物质除了恒星、星云和行星外,还有黑洞、白矮星和中子星。这三种星体都属极密度极大的天体,它们不发出可见光,我们看不见它们。

就拿中子星来说,它是巨大恒星死亡坍缩后的产物,一立方厘米中子星物质的质量高达几亿吨,试想一想在你的汤勺里放一座珠穆朗玛峰是什么感觉吧!

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中子星密度极大

中子星比太阳重多了,但我们看不见它,因为它的直径大约只有10~20千米,并且它没有恒星明亮。

好在大多数中子星有一个特点,就是它拥有一个极强大的磁场,其磁场强度比地球高千万亿倍,并且这个磁场会随着中子星的旋转而旋转。这种旋转磁场的中子星就是我们所要找的脉冲星。

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中子星磁场

我们怎么找到脉冲星?

前节提到,中子星有一个旋转的磁场。其实地球的磁场也是旋转的,你能在宇宙中探测到吗?不能,地球的磁场太弱了,它只会影响很小的范围。

中子星不同,它是巨大恒星坍缩后的产物。强大的压力将恒星物质剧烈压缩,电子被挤入了质子内部,质子变成了中子,中子们又被重力挤成密集的一团,这一团核心的外围包裹着带电的质子和等离子体云。

我们知道宇宙中大多数的恒星都会自转,当恒星死亡向中心坍缩后,由于角动量守恒的关系,中心的中子星会转得很快。就像花样滑冰运动员在冰面上做的那样。

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花滑选手的旋转

当花样滑冰选手舒展身体开始旋转时,她的舞姿是曼妙舒缓的。随着四肢向中心逐渐收拢,她旋转的速度会越来越快,最后达到令人眼花缭乱的程度。在这个过程中没有外力的加入,运动员仅靠初始旋转的角动量就可以获得非常高的转速(由a到b),这在物理上被称为角动量守恒。

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角动量守恒

中子星的旋转也是如此。当然,还有相当多的脉冲星是由两颗星的合并形成,或者中子星吞噬附近的星体,在此过程中由于相互作用力的关系,造成快速的旋转。

强烈的旋转使外壳带电的中子星产生强大磁场,而磁场的方向与中子星的自转轴又不完全重合。于是由磁场两极发射出的电磁辐射波束,包括γ射线、X射线波和波长比较长的电磁波会有规律地扫过太空。

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脉冲星形成

从脉冲星磁极发射出的电磁波束是如此集中、强度是如此之强,以至于当它经过了数十万光年之后扫过地球,依然能被灵敏的天线探测到。同时由于脉冲星的旋转周期有极精确的周期性,我们探测到的脉冲信号也具有周期性。

寻找脉冲星有什么用?

虽然天文学家们数百年来持续不懈地探索太空,但应该承认人类对于宇宙的认识依然只是比白痴稍强那么一点。宇宙中有太多的未知、有无数的谜团需要我们一个一个地去解开,我们不仅需要智慧的大脑,更需要强大的工具。

人类最开始只是用眼睛观察星空,为了看得更清楚一些,科学家发明了光学望远镜并将望远镜造得越来越大越来越精密,直到将它送到大气层之外。在了解到可见光只是电磁波谱中很小的一部分后,科学家开始用射电望远镜来接收来自太空的信息,这其中就包括脉冲星发出的信号。

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脉冲星

正常情况下,由于其自身的旋转不受外力影响,脉冲星的自转极为规律,它的电磁波扫过天空的频率甚至比人类制造的原子钟更精确。这个特点使人类想到了海岸边的灯塔,宇宙飞船在星际间航行时,地面无法为其提供精确的引导,遥远脉冲星发出的规律信号可以像灯塔一样为飞船导航。

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灯塔的光可以为船只导航

我们需要的不仅仅是灯塔

如果仅仅是为了星际航行时的航标,我们只需要寻找几十颗脉冲星就足够了,实在没必要大费周章地建造如此多的射电望远镜日复一日地看天。

FAST望远镜拥有更灵敏的天线,可以接收更遥远和更微弱的信号,通过对接收到的更多脉冲星信号进行分析,可以揭示出更多宇宙的秘密。

作为宇宙中恒星生命的重要一环,中子星和脉冲星两极发射的光束携带着大量恒星演化的重要信息。脉冲星由于其磁层而产生射电波束,在这个超强的磁层中包含了极端相对论性带电粒子、极强的等离子体波和极强磁场的奇异混合物,这种环境在其它的天体中不具备,我们在地面也无法模拟。通过对其发射出来的电磁波的分析,我们可以进行更广泛的等离子体物理研究。

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中子星内部结构的猜测

科学家们估计,仅在我们的银河系中就隐藏着数亿颗中子星,我们虽无法找到那些安静的中子星,但研究脉冲星的同时也能揭示出银河系的演变规律。

在脉冲星的电磁波束到达地球之前,它们会穿过各种星际间的物质和电离气体,受其影响,电磁波束会产生如色散、法拉第旋转等等物理效应,并将这些变化一并带到地球,通过这些电磁波束周而复始的扫描,可以像做CT那样透视星际间介质的分布和变化。

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星际间物质

中国天眼以其超高的灵敏度,在很短的时间内就观测到世界上其它射电望远镜无法发现的脉冲星和天体物理现象,它不仅首次探测到费米高能射电源,还通过观测结果对物理学经典的“旋转木马”辐射模型提出了挑战。这一切都是中国科学家利用大科学装置对人类科学进步所做出的贡献。

我们有理由相信,随着FAST正式投入运行,未来还将有新的天体、新的现象,以及更多更新的发现在等待着我们,这颗巨大的科学之眼还将进一步点燃人类探索宇宙未知地带的梦想。

不只是在天体物理学领域从FAST获益良多,在建设这台世界最大球面射电望远镜的过程中,我们的机械工业、自动化控制、电磁兼容研发、计算机软硬件设备、测绘地理信息技术、钢结构设计和工程施工等等都取得长足进步并获得了宝贵经验。我们已经聚集了一大批科学研究和工程建设人才,这些都是无可限量的宝贵财富。

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南仁东

谨以此文向“中国天眼之父”、天文学家南仁东致敬。

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