作者:刘峣 来源:人民日报海外版 发布时间:2022/10/24 11:52:57
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“中国天眼”:向宇宙边缘瞭望

 

近日,有“中国天眼”之称的500米口径球面射电望远镜(FAST)又有新发现。中国科学家日前利用“中国天眼”对致密星系群“斯蒂芬五重星系”及周围天区的氢原子气体进行成像观测,发现了1个尺度大约为200万光年的巨大原子气体结构,尺度比银河系大20倍。这是迄今为止在宇宙中探测到的最大的原子气体结构。

年观测时长超5300小时、发现660余颗新脉冲星……自2016年9月落成启用以来,“中国天眼”——这一全球最大、最灵敏的射电望远镜帮助科学家在天文学领域取得了一系列研究成果,拓展了人类观察宇宙的视野,成为中国科技自立自强代表性工程。

 

为研究天体起源打开新窗口

近年来,“中国天眼”在快速射电暴起源与物理机制、中性氢宇宙研究、脉冲星搜寻与物理研究、脉冲星测时与低频引力波探测等方向持续产出成果。近期宇宙中最大原子气体结构的新发现,由中国科学院国家天文台研究员徐聪领导的国际团队完成,相关成果已与10月19日在学术期刊《自然》在线发表。

观测宇宙中的气体是天体物理领域一个非常重要的研究课题,而宇宙中所有天体的起源都离不开原子气体。据介绍,星系的主要演化过程就是不断从宇宙空间吸收原子气体,然后将其转化为恒星的过程。

“斯蒂芬五重星系”是一个距离地球约2.8亿光年的星系群,其中多个成员星系之间相互碰撞产生冲击波,发出明亮的光芒。自1877年被发现以来,这一首个被人类发现的星系群一直备受天文学领域关注。今年7月,美国韦布空间望远镜拍摄下了该星系群唯美的全彩图像。

徐聪介绍,最新发现表明,在远离该星系群中心的外围空间,存在大尺度的低密度原子气体结构。这些气体结构的形成很可能与“斯蒂芬五重星系”早期形成时,星系间相互作用的历史有关,已经存在了大约10亿年。

“这项发现对研究星系及其气体在宇宙中的演化提出了挑战。现有理论很难解释为什么在如此漫长的时间里,这些稀薄的原子气体仍没有被宇宙空间中的紫外背景辐射电离。”徐聪说,这项观测成果预示着,宇宙中可能存在大尺度的低密度原子气体结构。

科学家团队的新发现,得益于“中国天眼”超高灵敏度带来的前所未有的极端暗弱天体探测能力。据介绍,“中国天眼”能够探测到远离星系中心的极其稀薄的弥散原子气体所发出的暗弱辐射,这为研究宇宙中天体的起源打开了一个崭新的窗口。

快速射电暴领域崛起中国力量

在“中国天眼”产生的诸多科学成果中,快速射电暴是最新也是最热的领域之一。

在广袤的宇宙中,经常出现短暂而猛烈的无线电波爆发,持续时间通常仅有几毫秒,却能够释放出相当于地球上几百亿年发电量的巨大能量。2007年,天文学家首次发现了这样的毫秒电波——快速射电暴。迄今为止,天文学家已经观测到了几百例快速射电暴,并通过周边环境的复杂程度推测其所处的演化阶段。

过去,由于没有自己的大射电望远镜,在快速射电暴这一研究领域中,中国科学家大多只能从事理论研究。随着“中国天眼”正式运行,快速射电暴领域的中国力量迅速崛起,研究成果不断产出。

目前,科学家对快速射电暴的物理起源、周围环境、中心机制等尚不明晰,也缺乏对其核心区物理参数的直接观测资料。日前,中国科学家利用“中国天眼”对一例位于银河系外的快速射电暴开展了深度观测,首次探测到距离快速射电暴中心仅1个天文单位(即太阳到地球的距离)的周边环境的磁场变化,向着揭示快速射电暴中心引擎机制迈出重要一步。

此项研究中,研究团队对位于银河系外的快速射电暴FRB 20201124A进行了长期监测,在54天共计82小时时间内,观测到了1863个爆发脉冲信号,基于这一迄今为止最大的快速射电暴偏振观测样本取得了若干重要发现。团队正在进一步研究,期待找到决定快速射电暴核心物理过程和能源机制的直接观测证据,早日揭示这一神秘宇宙现象的物理起源。

观测快速射电暴,“中国天眼”很有优势。要获得更多、更详尽的天文学数据,离不开更大接收面积的望远镜,具备更强的暗弱信号探测能力,这样才能看得更多、看得更远,扩大观测样本数量,提高发现奇特天文学现象的几率。

“中国天眼”口径达500米,作为世界上最灵敏的射电望远镜,“中国天眼”聚光面积巨大,电波收集能力超强,具有精密控制的变形能力,能够聚焦和稳定跟踪天体。专家表示,理论上说,“中国天眼”能接收到137亿光年以外的电磁信号,这个距离已接近于宇宙的边缘。

与国际科学界携手探索宇宙

“中国天眼”作为国家重大科技基础设施,是观天巨目、国之重器,实现了中国在前沿科学领域的一项重大原创突破。启用6年多来,“中国天眼”已在多个研究方向产出科学成果,深化着人类对宇宙的认知。截至今年7月底,科学家通过“中国天眼”发现的脉冲星已经超过660颗,这个数量是同一时期、国际上所有射电望远镜发现脉冲星总数的5倍以上。

“中国天眼”运行和发展中心常务副主任、总工程师姜鹏表示,目前“中国天眼”已经进入成果爆发期,观测设备的稳定运行对此作出了巨大贡献。

“中国天眼”不仅可以用于科学研究,还可以用于实际应用。据专家介绍,2019年,有一个小行星在地月1/6的距离与地球擦肩而过,但人类并没有观测到。由于这个小行星来自太阳的方向,强烈的太阳光让科学家无法清晰地用光学望远镜观测到小行星。如果用“中国天眼”的射电波段进行观测,就有可能更早地探测到“飞来”的小行星。因此,“中国天眼”有望成为近地天体防御的重要战略支撑。

去年3月31日,“中国天眼”正式向全球开放共享,向全球天文学家征集观测申请,并于2021年8月启动科学观测。在“中国天眼”的帮助下,中国科学家与国际科学界携手探索浩瀚宇宙,共创人类美好未来。

 
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