今天小編分享的科學經驗:中國天眼,又有重要發現!,歡迎閲讀。
近幾天,一則有關中國一口舉世聞名的 " 小耳朵 " 的消息,上了各大新聞平台—— " 中國天眼 "FAST 已經發現了 883 顆脈衝星,并且計劃年内将這個數字刷新到 1000 顆。
圖片截自央視新聞頻道
那麼,脈衝星究竟是什麼?為什麼要大費周章地找,找到以後又有什麼用呢?今天咱們就來仔細聊聊,順便再跟大家分享點關于 FAST 的小八卦。
脈衝星是指瘋狂閃爍的星嗎?
先説説 " 脈衝星 "。從地球看來,脈衝星是周期性地閃爍電磁脈衝的天體,脈衝間隔極短,從幾毫秒到上百秒不等。不過,脈衝星并不是真的在閃爍,所謂脈衝,只是脈衝星以發瘋般的速度旋轉造成的假象。
那脈衝星是怎麼來的呢?其實是恒星 " 内心拉扯 " 的結果。
我們肉眼能看到的 " 正常 " 恒星,内部都有兩股力量在相互抗衡:引力驅使恒星物質向核心墜落,而核聚變釋放的能量則把物質向外推。
核聚變的燃料總有用完的一天,所以引力總能最終赢得這場角力。當一顆大質量恒星(例如,超過 8 倍太陽質量)最終耗盡所有燃料時,它就會向中心坍縮,發生猛烈的内爆,再向外彌散,迸發出一朵絢爛的 " 煙花 "。這個過程叫做 " 超新星爆發 "。
北宋至和元年(1054 年),金牛座的 " 天關 " 星宿附近爆發過一顆超新星,白天可見 23 天,夜晚可見 22 個月。這起超新星爆發被中國的天文學家記錄下來,史稱 "天關客星"。
塵煙散去,在恒星原來的位置,可能會留下一顆非常致密的天體——中子星。在其内部,原子結構不復存在,電子被壓入原子核,與質子結合為中子。中子星的質量超過 1.4 個太陽,直徑卻只有十幾公裏。換句話説,每立方厘米的中子星物質,相當于全球人類的質量總和!
中子星還繼承了恒星殘餘質量的旋轉角動量。在同樣的角動量下,轉速與半徑的平方成反比。我們每每看到,冰舞運動員在旋轉時把雙臂收攏或舉到頭頂,就會猛然滴溜溜地轉得飛快。同理,當恒星坍縮為中子星後,轉速會成億倍地飙升。
脈衝星的射電脈衝掃過地球。Michael Kramer 制作
中子星具有強磁場,驅動其周圍的帶電粒子,發出強烈的射電輻射束,從它的兩個磁極噴湧而出。如果随中子星自轉的輻射束正好掃過地球,我們就能測到周期性的射電脈衝,就好比某些迪廳的特效燈總是在轉圈圈,雖然燈光一直開着,但從一個方向看過去就時亮時暗。嗯,這麼一比喻,那脈衝星可以説屬于是恒星的遺體在自己墳頭蹦迪了……
前面提過的天關客星,就留下了一顆周期 33 毫秒(每秒自轉 30 圈)的脈衝星,抛散出的漸冷煙花則是著名的蟹狀星雲。
蟹狀星雲。圖源 NASA
在全球發現的 3000 多顆脈衝星中,絕大多數是中子星,但也有 2 顆是白矮星(還保有原子結構的低質量恒星遺骸):天蠍座 AR 和寶瓶座 AE。
FAST 可不是 " 快 " 的意思
大部分脈衝星在可見光波段沒有顯著輻射,而在射電波段看起來比較亮。幸運的是,在地球這邊,大氣層對射電波段相當優待,透明度極高,所以射電望遠鏡特别适合在地面上觀測脈衝星。
地球大氣層對各波長電磁波的屏蔽。圖源 NASA
接下來就説説咱們的 FAST。
FAST 的名字來自 "500 米口徑球面射電望遠鏡 "(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope)的英文縮寫。這座巨型單碟射電望遠鏡坐落在貴州省平塘縣大窩凼(d à ng),依照喀斯特地貌的天然窪地而建,2011 年開工,2016 年落成,是目前世界第一大的全口徑均有反射面的射電望遠鏡(俄羅斯的 RATAN-600 口徑雖有 576 米,卻只有細細一圈反射環)。
FAST 鳥瞰。圖源 FAST 官網
——順便説説,大家可能覺得 FAST 這個縮寫聽起來很酷,而全稱卻顯得太直白了。沒辦法," 縮寫不明覺厲,全稱真沒創意 " 這是天文界的傳統,比如 TMT 是 "30 米望遠鏡 ",VLT 是 " 甚大望遠鏡 ",ELT 是 " 特大望遠鏡 ",EELT 是 " 歐洲特大望遠鏡 "。韋布空間望遠鏡聽起來是不是還算正常?可它最初的名字其實是 " 下一代空間望遠鏡 "(相對于哈勃而言)……
為什麼射電望遠鏡都這麼大?這是因為在相同的分辨率需求下,要觀測的波長越長," 鍋 " 的口徑就得越大,不然就看不清了。在紅外波段工作的韋布望遠鏡比主攻可見光的哈勃望遠鏡口徑要大(6.5 米 vs 2.4 米),而射電望遠鏡要觀測的波段,比這倆還要高 5、6 個數量級,那是真非往大了整不可了,口徑就是正義用在這裏是一點都沒錯。
細心的讀者可能還有兩個疑問:
①球面實際上無法将遙遠星光匯聚到單一焦點,得用抛物面才行,FAST 為何要做成球面望遠鏡?
②一口小耳朵這麼擺在地上,豈不是只盯着天頂一點,就算随着地球自轉,也只能掃描天頂所在的這個圓?
實際上,這是一個常見的誤解,也是科普的時候使用簡略類比帶來的負面影響。因為形狀的關系,我們很喜歡把各類射電望遠鏡稱為 " 鍋 "。但是這樣一來,我們的思維也會被誤導,容易覺得 FAST 也像咱們家炒菜的大鐵鍋一樣,硬邦邦一整個,形狀不會改變,但實際上,FAST 的身段靈活得很。
FAST 由 4450 片反射板拼成,通過電機驅動,這些反射板能夠改變姿态,當一片區網域的反射板在統一指揮下規律地調整,就能在 " 鍋 " 裏泛起一片 " 漣漪 ",改變鏡面的形狀。
經 "FAST 之父 " 南仁東和團隊的計算,只需和球面偏離 0.47 米,就可以把口徑 300 米的球面改成抛物面,把射電信号聚焦在一點。所以,在任意時刻,FAST 只有一片口徑 300 米的圓形工作區網域。通過反射板的齊心協力地調整,這個工作區能在 " 鍋 " 裏自如 " 漂移 ",所以可觀測天區的範圍相當廣。
倘若保持完整的 300 米口徑,能從北緯 52.2 °(工作區緊貼鍋南沿)觀測到南緯 0.6 °(工作區緊貼鍋北沿)。如果願意犧牲一點有效口徑,則可以覆蓋北緯 65.8 ° 到南緯 14.2 ° 的天空。
FAST 光路,黃色虛線是抛物面工作區 · 圖源南仁東《FAST 項目介紹》
觀測脈衝星有什麼實際應用?
FAST 發現這麼多脈衝星,那麼觀測脈衝星有什麼實際應用?它的用處還真不少。
當脈衝星發來的信号穿越星際時,會被沿途的電離氣體阻礙,造成延遲。路程越長,電離氣體越多,遲到越厲害。如果知道了脈衝星離我們有多遠,再通過精密測量延遲的程度,就能反推信号沿途的星際介質分布情況。
影響脈衝星信号的還有磁場,當電磁信号經過磁場時,它的偏振屬性會被改變,磁場越強,改變幅度越大。測量信号的偏振,能夠反推信号沿途的磁場分布情況。
當超大質量天體擾動時空時,會產生引力波,改變脈衝星信号到達我們的時間。所以通過精确測量脈衝星周期的起伏,可以探測引力波。倘若能發現脈衝星 - 黑洞雙星系統,觀測一個穩定輸出的天體和一個扭曲時空的天體如何攪拌乾坤,就更能檢驗廣義相對論的預言,大大推動基礎物理研究。
脈衝星的自轉周期非常穩定,有些在長期表現上堪與原子鍾媲美,并且它們 " 永不斷電 ",可比原子鍾皮實多了。将脈衝星和原子鍾結合起來,可以建立長時間穩定的精準時間系統,甚至用于星際導航。
旅行者 " 地球之聲 " 金唱片左下方以 14 顆脈衝星指示太陽系的方位。圖源 NASA
最後總結一下,FAST 和它發現的脈衝星們,會幫助我們更好地認識宇宙,而這些發現,説不定有朝一日還能夠幫助人類在星海中航行。
策劃制作
作者丨曲炯 科普作者
審核丨劉茜 北京天文館研究員
策劃丨丁崝
責編丨丁崝
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