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中国天眼：刻画宇宙的“样子” ——解读2022年度中国科学十大进展 （二）

来源：科普时报    时间：2023-05-19 13:11:30

FAST观测快速射电暴示意图，图中的信号曲线即为快速射电暴的真实脉冲轮廓。

（国家天文台王培供图）


(资料图)

准确测量宇宙天体的射电辐射是理解天体辐射起源和机制的有效途径。被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜FAST自正式运行以来，为我国射电天文发展提供了有力的观测支撑。2022年，中国科学院国家天文台主导的研究团队依托“中国天眼”FAST平台，在观测活跃重复暴探究快速射电暴（FRB）机制、中性氢谱线观测刻画河外河内星际气体两个方面取得了系列突破性进展。

发现首例持续活跃重复暴

FRB是在射电宇宙中最剧烈的爆发现象，其起源和辐射机制迄今还不清楚，是天文学领域重大的热点前沿之一。国家天文台李菂研究团队提出了原创的多科学目标同时巡天（CRAFTS）观测模式，记录满足FRB、脉冲星、中性氢等多种科学目标需求的观测数据，数倍提高了FAST的巡天效率。研究团队利用CRAFTS数据发现了首例持续活跃的快速射电暴FRB20190520B。该源色散值远高于宇宙学物质分布模型估算结果，表明该源非常年轻或处于非常极端的致密环境，这拓宽了对FRB起源和星周环境的理解前沿。

揭示快速射电暴密近环境动态演化

由国家天文台、北京大学科维理天文与天体物理研究所研究员李柯伽领导的研究团队利用FAST对重复暴FRB20201124A开展了长期观测，得到了至今最大的FRB偏振样本集。研究团队首次观测到该源由爆发到突然熄灭的猝灭现象，并获得了其法拉第旋转量（RM）复杂的动态演化，发现该源存在高度圆偏振及频率依赖的偏振振荡现象。这表明该源近域环境非常复杂且存在动态演化。研究团队排除了其起源于大质量恒星极端爆炸导致的超亮超新星，或伽马射线暴后形成年轻磁星的可能性，向着揭示FRB中心引擎机制迈出了重要一步。

提出统一解释重复暴偏振频率演化机制

FRB的偏振性质富含爆发的本征特性及环境信息。李菂研究团队针对多个活跃重复暴，组织FAST和国际协同观测，精确测量了一批重复暴的偏振性质，发现不同重复暴的线偏振度存在随频率降低而降低的统一趋势。研究团队据此首次提出重复暴偏振频率演化的统一机制，并提出单一参数“RM弥散”定量描述。该机制支持重复暴可能处在复杂电离环境中，并且可以通过偏振观测推测可能的演化阶段，排除了基于辐射区磁层高度变化的脉冲星偏振内禀频率演化的其他模型，为最终确定FRB起源提供了关键观测证据。

利用中性氢谱线精细刻画河外河内星际气体

FAST不仅在FRB的动态宇宙研究领域大显身手，也在中性氢谱线观测领域为突破性发现提供观测基础。国家天文台研究员徐聪领导的国际团队利用FAST观测对斯蒂芬五重星系及周围天区的氢原子气体谱线进行了成像观测，在远离星系群中心的区域发现了目前最大的稀薄原子气体结构。现有的星系及气体演化理论很难解释星系周围为何仍存在这一未被电离的大尺度稀薄原子气体结构，这将推动对星系形成和演化中物理机制的理解进程。

磁场在星际介质演化和恒星形成中起着重要作用。李菂研究团队利用原创的中性氢窄线自吸收方法，通过FAST深度观测金牛座分子云前恒星核L1544，首次探测到中性氢窄线自吸收的高置信度塞曼效应，实现了原子辐射手段探测分子云磁场领域“从0到1”的突破。研究团队分析发现，星际介质从冷中性气体到前恒星核具有连贯性的磁场结构，与标准模型的预测明显不同。该发现将恒星形成的时间减少到百万年量级，对于理解恒星形成的天体物理过程至关重要。

FAST得天独厚的灵敏度优势，正助力中国射电天文学者由跟跑转向领跑，产生具有突破性影响的成果。将来，FAST有望在脉冲星搜寻和脉冲星物理、河内与河外中性氢星系、暂现源，以及地外文明探索等方面取得更多突破性进展，最终改变人类对宇宙的认识。

（第一作者系中国科学院国家天文台博士生，第二作者系中国科学院国家天文台副研究员，第三作者系中国科学院国家天文台研究员）

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