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和中国天眼一起“追星”

发布时间:2022-06-13 08:09
科学大爆炸 和中国天眼一起“追星” 90后小伙儿牛晨辉被星空“震撼”过。 当时他在新疆,因为对天文仪器感兴趣,主动请缨加入中国科学院国家天文台暗能量射电探测关键技术实验...

  科学大爆炸
  和中国天眼一起“追星”

  90后小伙儿牛晨辉被星空“震撼”过。

  当时他在新疆,因为对天文仪器感兴趣,主动请缨加入中国科学院国家天文台暗能量射电探测关键技术实验项目。那是由3组抛物柱面射电望远镜和16面碟形射电望远镜组成的天籁实验阵列,始建于2014年。

  观测站所在地海拔高,空气干燥,银河系的“厚盘”悬于天穹,又仿佛近在咫尺。牛晨辉拿着星图,和同伴们一起寻找熟悉或不熟悉的星座。他告诉中青报·中青网记者:“那个地方看到的星星,真的是太美了。也是从那时候开始,我对星空的感觉不一样了,我对天文也开始产生了兴趣。”

  那次“看星星”的震撼,促使这名90后年轻人来到西南大山深处的中国天眼(FAST)继续“追星”:2019年博士生毕业后,牛晨辉选择加入中国科学院国家天文台射电天文研究部,进入中国天眼首席科学家李菂研究员为学科带头人的星际介质演化及恒星形成团组,研究起了“快速射电暴”。

  团队里大部分人都是牛晨辉的前辈和老师,和他年龄差不多的,有比他稍大几岁的助理研究员王培,以及当时在读的两个博士生冯毅、张永坤。

  2020年1月11日,中国天眼正式开放运行,按照李菂之前演讲时的形容,“中国在无线电波段拥有了世界上最先进的设备”。从天文研究的角度来说,牛晨辉、张永坤等“天眼”背后的年轻人,赶上了一个好时代。

  “中国天眼是建给下一代的,给更年轻的科学家和后来者”

  张永坤是整个团队里年龄最小的。

  2019年,他从中国科学院大学本科毕业后直读博士,李菂是他的导师。张永坤本科学的是物理,经常去国家天文台听讲座。他写毕业论文的时候,刚好赶上中国天眼即将建设完成。

  “咱们国家这么大一个望远镜项目,我很感兴趣,想参与一下。”张永坤说。

  于是他给李菂发了一封自荐的电子邮件。去国家天文台“面试”,张永坤特地把自己的成绩单都打印了出来,想给李老师看。

  李菂却说不用,然后跟他讨论毕业论文选题,给他讲中国天眼可以做些什么。也是从那时起,张永坤开始接触快速射电暴(Fast Radio Burst,简称FRB),“这是我们年轻人大有可为的一个领域”。

  快速射电暴是宇宙中一种神秘的爆发现象,是指在毫秒的时间内,大约太阳一年才能辐射出的能量猛烈爆发出来。2007年,首例被发现的快速射电暴公布。但这种神秘现象的起源和物理机制,至今是未知的。

  由于观测设备更新及新技术应用,此后10余年,快速射电暴的个数,从早期的个位数增长到了目前近500例。早期被发现的快速射电暴,都只探测到一次爆发,被认为具有“不可重复性”。直到2016年,一类可以多次爆发的快速射电暴被重复探测到,固有认知才被打破。作为世界上最大的单口径射电望远镜,FAST在几年前就已经开展了快速射电暴的搜寻工作。

  前不久,李菂团队通过FAST的“多科学目标同时巡天”优先重大项目,发现了迄今为止唯一一例持续活跃的重复快速射电暴FRB20190520B。北京时间2022年6月9日,该成果发表于国际学术期刊《自然》杂志,牛晨辉正是这篇论文的第一作者。

  “这一观测发现,对于理解FRB的周围环境和物理起源具有非常重要的科学意义,快速射电暴从2007年被发现以来,一直是天文学领域中最前沿的研究方向之一,特别是其物理起源、辐射机制和周围环境,是其中三个亟待解决的关键科学问题。”中国科学技术大学天体物理教授戴子高在该成果的发布会上说。

  中国天眼正式运行两年多,其获取的数据催生了超过100篇学术论文。

  1996年,国家天文台老一辈的射电天文学家南仁东先生和邱育海先生,前往位于波多黎各岛的阿雷西博望远镜,考察这一巨大射电望远镜。根据当时可预期的现代技术发展前景,结合我国在工程方面的长处和短处,中国天眼的概念,在这两位老天文学家的心中越来越立体。

  2007年底,国家发展改革委批复500米口径球面射电望远镜立项建议书。李菂曾在演讲中回忆自己当年参与中国天眼建设时的经历,和他之前见到的天文观测学者的工作“非常不同”。

  这些“天眼”建设者们,在贵州山区里搬砖、种树、熔接光纤……主要的工程团队,在6年多的时间里都住板房,室内没有热水和卫生间。哪怕是如此艰苦,所有人仍然“保持着非常好的精神状态”。

  “最苦的路,已经被前辈们蹚平了。”牛晨辉感慨。

  南仁东经常说的一句话是,“FAST是建给下一代的,给更年轻的科学家和后来者”。在李菂看来,中国天眼代表了中国射电天文学“从追赶到超越的一次尝试”。

  “能够站在巨人的肩膀上,我深感幸运。”牛晨辉说。

  从将近1000个小时的数据里,找到4次“眨眼”

  迄今为止,中国天眼发现6个快速射电暴,其中4个是牛晨辉发现的。听到别人提起这件事,他会低头微笑,解释自己只是幸运,正好赶上了中国天眼开始出成果的阶段。

  这份所谓的“幸运”,与辛勤和严谨是分不开的。

  来自宇宙的电磁波信号,被500米口径的球面“大锅”接收到,用数字矩阵的方式呈现到研究者面前。按照张永坤的描述,中国天眼可以同时观测天上的19个点,运行之后,每个点位每小时收到的数据,大约有2TB。

  “我们主要的工作,就是处理FAST观测到的数据。”张永坤对中青报·中青网记者说,“FAST一年大约有5000个小时的运行时间,估算下来,一年可能有几十个PB这种量级的数据。我们团队的项目,一年大概有上千个小时的数据要处理。”

  大部分数据,实际上都是嘈杂的“噪声”,来自宇宙中弥散的分子气体、各种各样天体发出的射电信号,还有来自地面的电磁波。而研究者们要找的快速射电暴,是叠在这些噪声背景下,只存在几毫秒的一个“眨眼”。

  牛晨辉从将近1000个小时的数据里,找到了4次“眨眼”。

  在系统处理中国天眼数据的过程中,牛晨辉发现,2019年5月20日的数据存在重复的高色散脉冲。在排除脉冲星和射电干扰后,研究人员确定,该脉冲来自一个新的快速射电暴,并将其命名为FRB20190520B。

  基于这一发现,李菂团队通过与美国甚大阵列望远镜合作,在2020年7月完成精确定位,探测到了一颗致密的持续射电源。此后,通过美国帕洛玛200英寸望远镜和凯克望远镜,加拿大-法国-夏威夷望远镜和日本斯巴鲁近红外光学望远镜,研究者们确定了FRB20190520B的宿主星系和红移。在进一步结合散射特征之后,研究团队发现,FRB20190520B并不像其他快速射电暴一样具有窗口期,而是持续活跃。

  “该成果报告了一个新的快速射电暴,挑战了我们对这些神秘现象宿主星系的认知。FRB20190520B是中国FAST望远镜首次发现的,随后显示,其平均每10-15分钟重复一次。”美国西弗吉尼亚大学教授、快速射电暴发现人邓肯·洛里默对这一成果作出了评价。

  一起打球唱歌,一起坐在“冷板凳”上搞科研

  “总会有让人意外的新发现,永远不知道还有什么颠覆的现象在前面等着。”李菂的另一名学生冯毅说。

  今年3月,冯毅作为第一作者的论文在国际学术期刊《科学》上发表,指出牛晨辉发现的重复快速射电暴,处于一个类似超新星遗迹的复杂环境中。

  不断有新发现,对冯毅来说是一种美妙的体验。他从小就对物理学着迷,在外行人眼里枯燥之极的数据筛选工作,对这个90后来说,只是一个等待的过程。

  “最早发现FRB的时候,天文学家一度以为,快速射电暴都在银河系外,结果突然跳出来一个新发现的FRB,竟然来源于银河系内一颗磁星。大家才知道,哦,原来银河系里也有。”每每谈及于此,冯毅的声音里总有按捺不住的兴奋。

  牛晨辉关于快速射电暴的最新成果在《自然》上发表后,冯毅在社交平台上转发祝福:一串“黄豆表情”搭配由衷地赞扬——“牛巨星时代来临!”

  牛晨辉回复他:“还得冯天师多出点子。”

  “巨星”和“天师”,这是团队里4名青年研究者相互开玩笑的昵称。王培、冯毅、张永坤是“天师”,天是“天眼”的天,也是彼此对未来的期许。

  牛晨辉的“巨星”称号,来源于中科院建院70周年的时候。院庆活动上,国家天文台出了个节目,牛晨辉那时刚刚加入团队,站在第二排中间的“C位”,从此成了小伙伴口中的“巨星”。

  这些年轻人在科研的间隙,一起打球唱歌。他们都是听着周杰伦和五月天的歌长大,也都向往科学热爱科学,愿意坐在“冷板凳”上搞基础研究。

  牛晨辉经常听到的一个问题是,研究天文、研究30亿光年之外的快速射电暴到底有什么用?他不知道该怎么回答这些问题。

  他始终觉得自己的研究“很有意思”,探索本身,就是意义。

  中青报·中青网记者 张渺 来源:中国青年报