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“中国天眼”挑战星际磁场标准模型

   2022-01-06 中国科学报
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核心提示:1月6日,《自然》杂志以封面文章形式发表了被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜(FAST)的最新成

1月6日,《自然》杂志以封面文章形式发表了被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜(FAST)的最新成果。

在该成果中,中国科学院国家天文台研究员李菂等领导的国际合作团队,通过FAST平台,采用原创的中性氢窄线自吸收方法,首次获得原恒星核包层中的高置信度的塞曼效应测量结果。研究发现,星际介质具有连贯性的磁场结构,异于标准模型预测,为解决恒星形成三大经典问题之一的“磁通量问题”提供了重要的观测证据。

《中国科学报》了解到,这是FAST产出的系列重大成果之一。自2020年1月11日通过国家验收至今,FAST已运行近两周年。基于超高灵敏度的明显优势,它已成为中低频射电天文领域的观天利器。

  又一重磅,挑战星际磁场标准模型

磁场在恒星、行星和生命的产生中发挥着重要作用,过程复杂。“磁通量问题”是恒星形成经典三大问题之一,分子云的星际磁场强度测量是全球天文界的共同挑战。

恒星诞生于分子云中,分子云中的致密区域发生塌缩,最终形成恒星。恒星磁场的标准模型认为,在恒星形成过程中,磁场和重力是相互抗衡的力量,在分子云密度高的地方,重力越大,磁场也越强。按照这一模型,重力和磁场不断拉扯,以至于恒星形成需要上千万年。

测量分子云的星际磁场强度并不是件容易的事。目前,可用于测量磁场强度的唯一手段就是“塞曼效应”。1896年,荷兰物理学家塞曼发现,把产生光谱的光源置于足够强的磁场中,磁场作用于发光体使光谱发生变化,一条谱线会分裂成几条偏振化的谱线。根据光谱的变化,科学家就可以反推出磁场的强度。

但是,探测分子云的塞曼效应难度很大。“分子和磁场的作用普遍非常弱,塞曼效应也非常弱。”李菂说。

为更好地测量出星际磁场,李菂团队另辟蹊径,原创出一种通过测量氢原子的谱线来测量星际磁场的方法——中性氢窄线自吸收方法。“原子对磁场的响应会比分子强。氢原子是宇宙中丰度最高的元素,广泛存在于宇宙的不同时期,也是不同尺度物质分布的最佳示踪物之一。”李菂说。

FAST为李菂等人提出的新方法创造了应用的机会。“FAST是探测暗弱中性氢源的利器。”李菂说。

通过FAST,研究人员测量了L1544分子云包层的磁场强度,首次实现了原创的中性氢窄线自吸收方法塞曼效应的探测,也实现了利用原子辐射手段来探测分子云磁场的“从0到1”的突破。

研究人员发现,与标准模型的预测结果不同,星际介质从恒星外围的冷中性气体到原恒星核,具有基本一致、连贯性的磁场结构。“由此,我们将恒星形成的时间从上千万年减少到百万年。”李菂说。

这一研究成果引起了国际学者的关注。未参与此项研究的美国伊利诺伊大学教授理查德·克鲁切尔评价:“通过观测中性氢窄线自吸收的塞曼效应,FAST首次揭示了在恒星形成的早期阶段,磁压不足以阻止引力收缩,这与恒星形成的标准理论不一致。这一发现对于理解恒星形成的天体物理过程至关重要,并显示了FAST在解决重大天体物理问题方面的潜力。”

  运行两年,FAST产出一系列大成果

从2020年1月11日通过国家验收至今,两年来,FAST好消息频传。仅2021年,FAST就产出了不少重要成果。

2021年10月14日,《自然》发表了FAST获得迄今最大快速射电暴爆发事件样本的成果。快速射电暴(FRB)是宇宙中最明亮射电爆发现象,由于起源未知,它成为天文学研究的热点。国家天文台科研人员领导的国际合作团队,利用FAST对快速射电暴FRB121102进行观测,在约50天内探测到1652次爆发事件,获得迄今为止最大的快速射电暴爆发事件样本,超过此前本领域所有文章发表的爆发事件总和。这一成果还首次揭示出快速射电暴爆发率的完整能谱及其双峰结构。

“FAST多科学目标巡天已经发现至少6例新快速射电暴,为揭示这一宇宙中神秘现象的机制、推进这一天文学全新领域的发展作出独特的贡献。”国家天文台副研究员王培说。

2021年5月,《天文和天体物理学研究》发表了FAST持续发现毫秒脉冲星的成果。发现脉冲星是国际大型射电望远镜观测的主要科学目标之一,国家天文台研究员韩金林领导的FAST重大优先项目“银道面脉冲星快照巡天”在不到两年时间内,累计观测了约620个机时,完成了计划搜寻天区的8%。澳大利亚科学院院士曼彻斯特评价:“发现这么多脉冲星令人印象深刻”“发现如此众多毫秒脉冲星是一个显著的成就”。

“截至目前,该项目新发现279颗脉冲星,其中65个为毫秒脉冲星,在双星系统中的有22颗。”韩金林说。

2021年12月,《中国科学》以封面及编辑点评文章形式发表了FAST开展多波段合作观测的成果。在这项成果中,国家天文台科研人员领导的国际合作团队,将FAST与高能波段的重要空间天文设施——费米伽马射线天文台大视场望远镜(Fermi-LAT)相结合,进行天地一体化协同和后随观测,发现了多颗脉冲星。多波段合作观测不仅开启了FAST脉冲星搜索新方向,而且打开了研究脉冲星电磁辐射机制的新途径,为研究中子星星族演化和探测引力波提供了更多样本。

  面向未来,观天利器正摩拳擦掌

FAST频繁产出大成果,与其运行效率和观测质量密不可分。“一年来,中科院深入贯彻落实习总书记重要指示精神,全力做好FAST的开放运行和科学研究工作,在第一时间就成立了FAST科学委员会、时间分配委员会、用户委员会,统筹规划科技方向,遴选重大项目,制定数据开放的政策,充分发挥FAST的科技效果,促进重大科技成果产出。”中科院副院长、党组成员周琪院士说。

在体制机制的保障下,2021年,FAST的年观测时长超过5300小时,已远超国际同行预期的工作效率,为FAST科学产出起到重要支撑作用。

“2021年,FAST一半的机时用于优先和重大科学项目,45%的时间用于自由申请的项目,10%的时间用于国际开放项目,5%的时间用于应急观测。”中科院院士、国家天文台研究员武向平说,“FAST正在考虑面向全国中小学生开放1%的观测时间,目前相关申请、遴选方法仍在讨论之中。”

他介绍,FAST的优先科学目标包括研究快速射电暴的物理机制、搜寻脉冲星、利用脉冲星测时阵列探测引力波、通过21厘米中性氢辐射探测星系和宇宙大尺度结构。此外,FAST的另一使命是寻找地外文明,包括寻找第二地球、截获外星人通信以及寻找生命分子。

2021年3月31日,FAST正式向全球开放共享,向天文学家征集观测申请。此次征集收到来自不同国家共7216小时的观测申请,最终14个国家(不含中国)的27份国际项目获得批准,并于2021年8月启动科学观测。“中国射电望远镜发展坚持走‘独立自主’与‘国际合作’的道路。”武向平说。

关于未来,武向平表示,FAST将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,产出深化人类对宇宙认知的科学成果。

  记者 倪思洁



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