中國天眼 目光更有神

15日，首屆中國·天泉湖天文論壇在江蘇盱眙舉行。中國500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）首席科學家、中國科學院國家天文臺研究員李菂在論壇上表示，被譽為“中國天眼”的FAST經過兩年的緊張調試工作，現已實現了跟蹤、漂移掃描、運動中掃描等多種觀測模式，數項關鍵指標超過預期。截至目前，已發現了44顆被確認的新脈沖星，有望明年下半年完成驗收并向全國天文學家開放使用。

研究脈沖星有望解決許多重大物理學問題

經過工作人員的精心調試，如今“天眼”視力越來越好，脈沖星的批量發現也隨之開始。

去年10月10日中科院國家天文臺就曾對外公布，FAST首次發現脈沖星，當時探測到數十顆優質脈沖星候選體，其中6顆通過國際認證。近一年過去，如今新發現脈沖星的數量又有突破。截至目前，FAST已經探測到59顆優質的脈沖星候選體，其中已經有44顆得到認證。

“特別是今年2月探測到有史以來最暗弱的毫秒脈沖星之一，這顆脈沖星是其他國家很多望遠鏡看了多次卻都沒有看到的。這充分證明了FAST在靈敏度方面的優勢。”李菂說。

搜尋和發現射電脈沖星是FAST核心科學目標。脈沖星由恒星演化和超新星爆發產生，因發射周期性脈沖信號而得名。自1967年發現第一顆脈沖星以來，過去50年里，人類發現的脈沖星家族至少有2700個成員。

“脈沖星是一種高速自轉的中子星，它的密度極高，每立方厘米重達上億噸。它的自轉速度很快、自轉周期精確，是宇宙中最精確的時鐘。”李菂說，“因此，它具有在地面實驗室無法實現的極端物理性質，是理想的天體物理實驗室，對其進行研究，有希望得到許多重大物理學問題的答案。譬如，脈沖星的自轉周期極其穩定，準確的時鐘信號為引力波探測、航天器導航等重大科學及技術應用提供了理想工具。”

“通過對快速旋轉的射電脈沖星進行長期監測，選取一定數目的脈沖星組成計時陣列，就可以探測超大質量雙黑洞等天體發出的低頻引力波。”李菂說。

巨大的接收面積和超高靈敏度，才能看清天體目標的細節

自2016年9月25日落成啟用后，FAST望遠鏡就正式進入為期3—5年的調試期。

一般來說，巨星望遠鏡調試期都會涉及天文、測量、控制、電子學、機械、結構等眾多學科領域，是一項強交叉學科的應用性研究，所以國際上傳統大射電望遠鏡的調試周期很少低于4年。

FAST總工程師、中科院國家天文臺研究員姜鵬說：“FAST巨大的接收面積注定了它有其他望遠鏡無法比擬的優勢，即超高的靈敏度，但這也使得它的系統構成更為復雜，因此它的調試工作也更具有挑戰性，也更容易受設備故障的影響。同時，還有30噸饋源艙（安放FAST望遠鏡用來接收宇宙外信號裝置系統的艙體）漂在高空，安全風險也極大。”

但調試團隊不畏困難，經過半年左右的努力，最終于2017年8月27日第一次完成了反射面和饋源支撐的協同動作，首次實現了對特定目標的跟蹤觀測，并穩定地獲取了目標源射電信號。這意味著“天眼”的“眼珠”可以轉動了，也標志望遠鏡最具難度及最具有風險的功能性調試完成了。

姜鵬說：“此后，‘天眼’就可以克服地球的自轉，對天體目標源進行跟蹤觀測。要知道望遠鏡的靈敏度不僅與其接收面積有關，還與望遠鏡的跟蹤時間有關。就像人的眼睛一樣，只是掃視一下的話，我們只能看個大概的輪廓。如果想看清細節，就需要對著目標仔細地端詳一段時間。其實，這也是FAST最重要的一個功能，只有能跟蹤了，‘天眼’才能發揮它的最優性能。”

在實現望遠鏡的功能性調試之后，余下的任務主要是如何提升望遠鏡的性能。

姜鵬說：“目前19波束已經完成安裝調試。它可以將望遠鏡的視場擴大19倍，從而大幅地提升望遠鏡的巡天效率，預期更多的脈沖星發現將由此開始。”

靜態掃描已達驗收指標，正為觀測河外星系脈沖星做準備

姜鵬表示，有了19波束的支持，就可以開始向驗收指標沖刺了。

“望遠鏡的驗收指標的實現，還要經過非常繁雜的指標分解，例如要實現設計的靈敏度，就要知道反射面的精度等。”姜鵬說，截至目前，調試工作已取得了一些非常可喜的進展。比如，望遠鏡的系統噪聲已經控制在20K左右的水平，同時靜態掃描模式下的效率已經達到50%以上，望遠鏡的靈敏水平已經達到了1800平方米每K的水平，可以說靜態掃描工作模式已經達到了望遠鏡的驗收指標。下一步的任務就是提高跟蹤過程的控制精度，把跟蹤過程的靈敏度也實現同樣或相近的水平。

對于觀測范圍可達已知宇宙邊緣的“天眼”來說，發現脈沖星只是使命之一。未來，它還將在中性氫觀測、譜線觀測、尋找可能的星際通訊信號等方面進行探索發現。

中外科學家也都期待“天眼”的發現從量變轉為質變。“天眼”若能第一個捕獲河外星系脈沖星，將具有開創性意義。李菂和他的研究小組已經在為觀測河外星系脈沖星做技術上的準備，最早于明年初會進行嘗試。