晨曦中的“中國(guó)天眼”全景。
新華社記者 歐東衢攝
近日，有“中國(guó)天眼”之稱的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）又有新發(fā)現(xiàn)。中國(guó)科學(xué)家日前利用“中國(guó)天眼”對(duì)致密星系群“斯蒂芬五重星系”及周圍天區(qū)的氫原子氣體進(jìn)行成像觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了1個(gè)尺度大約為200萬(wàn)光年的巨大原子氣體結(jié)構(gòu)，尺度比銀河系大20倍。這是迄今為止在宇宙中探測(cè)到的最大的原子氣體結(jié)構(gòu)。
年觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)超5300小時(shí)、發(fā)現(xiàn)660余顆新脈沖星……自2016年9月落成啟用以來(lái)，“中國(guó)天眼”——這一全球最大、最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡幫助科學(xué)家在天文學(xué)領(lǐng)域取得了一系列研究成果，拓展了人類觀察宇宙的視野，成為中國(guó)科技自立自強(qiáng)代表性工程。
為研究天體起源打開(kāi)新窗口
近年來(lái)，“中國(guó)天眼”在快速射電暴起源與物理機(jī)制、中性氫宇宙研究、脈沖星搜尋與物理研究、脈沖星測(cè)時(shí)與低頻引力波探測(cè)等方向持續(xù)產(chǎn)出成果。近期宇宙中最大原子氣體結(jié)構(gòu)的新發(fā)現(xiàn)，由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員徐聰領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)完成，相關(guān)成果已與10月19日在學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表。
觀測(cè)宇宙中的氣體是天體物理領(lǐng)域一個(gè)非常重要的研究課題，而宇宙中所有天體的起源都離不開(kāi)原子氣體。據(jù)介紹，星系的主要演化過(guò)程就是不斷從宇宙空間吸收原子氣體，然后將其轉(zhuǎn)化為恒星的過(guò)程。
“斯蒂芬五重星系”是一個(gè)距離地球約2.8億光年的星系群，其中多個(gè)成員星系之間相互碰撞產(chǎn)生沖擊波，發(fā)出明亮的光芒。自1877年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，這一首個(gè)被人類發(fā)現(xiàn)的星系群一直備受天文學(xué)領(lǐng)域關(guān)注。今年7月，美國(guó)韋布空間望遠(yuǎn)鏡拍攝下了該星系群唯美的全彩圖像。
徐聰介紹，最新發(fā)現(xiàn)表明，在遠(yuǎn)離該星系群中心的外圍空間，存在大尺度的低密度原子氣體結(jié)構(gòu)。這些氣體結(jié)構(gòu)的形成很可能與“斯蒂芬五重星系”早期形成時(shí)，星系間相互作用的歷史有關(guān)，已經(jīng)存在了大約10億年。
“這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)對(duì)研究星系及其氣體在宇宙中的演化提出了挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有理論很難解釋為什么在如此漫長(zhǎng)的時(shí)間里，這些稀薄的原子氣體仍沒(méi)有被宇宙空間中的紫外背景輻射電離。”徐聰說(shuō)，這項(xiàng)觀測(cè)成果預(yù)示著，宇宙中可能存在大尺度的低密度原子氣體結(jié)構(gòu)。
科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的新發(fā)現(xiàn)，得益于“中國(guó)天眼”超高靈敏度帶來(lái)的前所未有的極端暗弱天體探測(cè)能力。據(jù)介紹，“中國(guó)天眼”能夠探測(cè)到遠(yuǎn)離星系中心的極其稀薄的彌散原子氣體所發(fā)出的暗弱輻射，這為研究宇宙中天體的起源打開(kāi)了一個(gè)嶄新的窗口。
快速射電暴領(lǐng)域崛起中國(guó)力量
在“中國(guó)天眼”產(chǎn)生的諸多科學(xué)成果中，快速射電暴是最新也是最熱的領(lǐng)域之一。
在廣袤的宇宙中，經(jīng)常出現(xiàn)短暫而猛烈的無(wú)線電波爆發(fā)，持續(xù)時(shí)間通常僅有幾毫秒，卻能夠釋放出相當(dāng)于地球上幾百億年發(fā)電量的巨大能量。2007年，天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了這樣的毫秒電波——快速射電暴。迄今為止，天文學(xué)家已經(jīng)觀測(cè)到了幾百例快速射電暴，并通過(guò)周邊環(huán)境的復(fù)雜程度推測(cè)其所處的演化階段。
過(guò)去，由于沒(méi)有自己的大射電望遠(yuǎn)鏡，在快速射電暴這一研究領(lǐng)域中，中國(guó)科學(xué)家大多只能從事理論研究。隨著“中國(guó)天眼”正式運(yùn)行，快速射電暴領(lǐng)域的中國(guó)力量迅速崛起，研究成果不斷產(chǎn)出。
目前，科學(xué)家對(duì)快速射電暴的物理起源、周圍環(huán)境、中心機(jī)制等尚不明晰，也缺乏對(duì)其核心區(qū)物理參數(shù)的直接觀測(cè)資料。日前，中國(guó)科學(xué)家利用“中國(guó)天眼”對(duì)一例位于銀河系外的快速射電暴開(kāi)展了深度觀測(cè)，首次探測(cè)到距離快速射電暴中心僅1個(gè)天文單位（即太陽(yáng)到地球的距離）的周邊環(huán)境的磁場(chǎng)變化，向著揭示快速射電暴中心引擎機(jī)制邁出重要一步。
此項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)位于銀河系外的快速射電暴FRB 20201124A進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，在54天共計(jì)82小時(shí)時(shí)間內(nèi)，觀測(cè)到了1863個(gè)爆發(fā)脈沖信號(hào)，基于這一迄今為止最大的快速射電暴偏振觀測(cè)樣本取得了若干重要發(fā)現(xiàn)。團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)一步研究，期待找到?jīng)Q定快速射電暴核心物理過(guò)程和能源機(jī)制的直接觀測(cè)證據(jù)，早日揭示這一神秘宇宙現(xiàn)象的物理起源。
觀測(cè)快速射電暴，“中國(guó)天眼”很有優(yōu)勢(shì)。要獲得更多、更詳盡的天文學(xué)數(shù)據(jù)，離不開(kāi)更大接收面積的望遠(yuǎn)鏡，具備更強(qiáng)的暗弱信號(hào)探測(cè)能力，這樣才能看得更多、看得更遠(yuǎn)，擴(kuò)大觀測(cè)樣本數(shù)量，提高發(fā)現(xiàn)奇特天文學(xué)現(xiàn)象的幾率。
“中國(guó)天眼”口徑達(dá)500米，作為世界上最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡，“中國(guó)天眼”聚光面積巨大，電波收集能力超強(qiáng)，具有精密控制的變形能力，能夠聚焦和穩(wěn)定跟蹤天體。專家表示，理論上說(shuō)，“中國(guó)天眼”能接收到137億光年以外的電磁信號(hào)，這個(gè)距離已接近于宇宙的邊緣。
與國(guó)際科學(xué)界攜手探索宇宙
“中國(guó)天眼”作為國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，是觀天巨目、國(guó)之重器，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)在前沿科學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大原創(chuàng)突破。啟用6年多來(lái)，“中國(guó)天眼”已在多個(gè)研究方向產(chǎn)出科學(xué)成果，深化著人類對(duì)宇宙的認(rèn)知。截至今年7月底，科學(xué)家通過(guò)“中國(guó)天眼”發(fā)現(xiàn)的脈沖星已經(jīng)超過(guò)660顆，這個(gè)數(shù)量是同一時(shí)期、國(guó)際上所有射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)脈沖星總數(shù)的5倍以上。
“中國(guó)天眼”運(yùn)行和發(fā)展中心常務(wù)副主任、總工程師姜鵬表示，目前“中國(guó)天眼”已經(jīng)進(jìn)入成果爆發(fā)期，觀測(cè)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)此作出了巨大貢獻(xiàn)。
“中國(guó)天眼”不僅可以用于科學(xué)研究，還可以用于實(shí)際應(yīng)用。據(jù)專家介紹，2019年，有一個(gè)小行星在地月1/6的距離與地球擦肩而過(guò)，但人類并沒(méi)有觀測(cè)到。由于這個(gè)小行星來(lái)自太陽(yáng)的方向，強(qiáng)烈的太陽(yáng)光讓科學(xué)家無(wú)法清晰地用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到小行星。如果用“中國(guó)天眼”的射電波段進(jìn)行觀測(cè)，就有可能更早地探測(cè)到“飛來(lái)”的小行星。因此，“中國(guó)天眼”有望成為近地天體防御的重要戰(zhàn)略支撐。
去年3月31日，“中國(guó)天眼”正式向全球開(kāi)放共享，向全球天文學(xué)家征集觀測(cè)申請(qǐng)，并于2021年8月啟動(dòng)科學(xué)觀測(cè)。在“中國(guó)天眼”的幫助下，中國(guó)科學(xué)家與國(guó)際科學(xué)界攜手探索浩瀚宇宙，共創(chuàng)人類美好未來(lái)。