FAST望远镜用地球最大的“耳朵”聆听宇宙


新华社 喻菲 全晓书 杨春雪 2015年07月29日


摘要】它像一只庞大而灵敏的“耳朵”,将捕捉来自遥远星尘最细微的“声音”,洞察隐藏在宇宙深处的秘密。

 

FAST望远镜 用地球最大的“耳朵”聆听宇宙

世界最大单口径射电望远镜FAST的仿真模型

FAST望远镜 用地球最大的“耳朵”聆听宇宙

这是3月9日航拍的FAST全景,反射面单元吊装施工累计完成3516块,占总量的79.01%。 新华社记者 欧东衢 摄


中国西南贵州,在形成于4500万年前的巨型天坑中,科学家与工程师们正在建造面积相当于30个足球场的世界最大单口径射电望远镜。它像一只庞大而灵敏的“耳朵”,将捕捉来自遥远星尘最细微的“声音”,洞察隐藏在宇宙深处的秘密。

这项建在贫困边远山区的中国有史以来最大天文工程,总投资达12亿元,于2011年3月动工,预计2016年9月竣工。科学家将用这只“大耳朵”发现宇宙中神秘怪异的天体,并满足人类最本质的好奇心:宇宙怎么诞生?为什么会有星星?为什么会有我们?我们在宇宙中是孤独的吗?

 

FAST望远镜 用地球最大的“耳朵”聆听宇宙

鸟瞰世界最大单口径射电望远镜


中国科学院国家天文台射电部首席科学家李菂说:“建成后,这座射电望远镜在未来20至30年将保持世界一流地位。”

一、快!望远镜

“大耳朵”正式的名字是:500米口径球面射电望远镜。科学家将它的英文名Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope缩写为FAST。尽管被称作“快”,建设这样巨大的望远镜却绝对无法快速实现。从1993年最初提出这个计划到现在已过去了20多年,其间经历了反复研究论证。

千百年来人类只是通过可见光波段观测宇宙,实际天体的辐射覆盖了整个电磁波段。射电望远镜是在无线电波段观测天体。由于无线电波可穿透宇宙中大量存在而光波又无法通过的星际尘埃介质,因而射电望远镜可以观测更遥远的未知宇宙。射电望远镜几乎可以全天候、不间断地工作。

来自太空天体的无线电信号极其微弱,自70多年前射电天文学诞生以来,所有射电望远镜收集的能量还翻不动一页书。阅读宇宙边缘的信息需要大口径望远镜。

 

FAST望远镜 用地球最大的“耳朵”聆听宇宙

星空下的FAST

 

为了加快对宇宙探索的进程,提高中国的深空探测能力,积极参与国际竞争,中国天文界于1993年提出利用贵州喀斯特洼地建造世界最大的单口径射电望远镜。

如今,在贵州黔南州平塘县名叫“大窝凼”的洼地中,望远镜的白色钢架已填满整个山谷。绕着圈梁走一圈大约需要30分钟。

工人们近日开始为望远镜铺设反射面。FAST与一般的光学望远镜长得很不一样,镜面由4000多块小反射面组成。每一块反射面的背后都有钢索牵拉,用于调 整方向。这样精巧的设计可以让反射面不断变形,追踪移动的天体,形成抛物面汇聚电磁波,就像一口大锅中又套着个可以移动的大碗。

 

FAST望远镜 用地球最大的“耳朵”聆听宇宙

施工中的FAST

 

 

“让如此巨大的望远镜改变形状,最大的困难是必须快速测量和控制上千台电机。我们通过激光测量精确定位,精度要达到毫米级。”李菂说。

FAST工程办公室副主任张海燕介绍,与号称“地面最大的机器”的德国波恩100米望远镜相比,FAST灵敏度将提高约10倍;与被评为人类20世纪10大工程之首的美国Arecibo300米望远镜相比,其综合性能提高约10倍。

“它非常壮观,给人宏大、震撼之感。”国家天文台宇宙暗物质与暗能量研究团组首席科学家陈学雷最近参观了FAST施工现场后感叹道:“国家投资建设了这么 大的望远镜,作为科学家,我们一定要用好它,做出新的发现。FAST比目前世界上所有的射电望远镜都更大、更灵敏,肯定会取得一些国外没有的发现。”

实际上,脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子等重要天文发现都与射电望远镜有关。诺贝尔奖历史上明确基于天文观测的10项获奖成果中有6项都出自射电望远镜,射电天文学已成为诺贝尔奖的摇篮。

目前,约20个国家正在联合建设世界上最强大的射电望 远镜阵列——平方公里阵SKA。FAST将比SKA早建成10至20年。李菂说:“我们一定要充分利用这个时间优势,尽快取得创新性成果,尽快挖掘获得诺 贝尔奖级发现的潜力。如果能探测到引力波或揭示物质新形态,这些会是诺贝尔奖级的发现。”

他表示:“我们的望远镜是开放的,未来欢迎国内外的科学家来使用。”

 

FAST望远镜 用地球最大的“耳朵”聆听宇宙

FAST上的银河拱桥


二、托“外星人”的福

20 年前,为FAST寻找台址的朱博勤在崎岖的山路上跋涉了两个多小时,爬上“大窝凼”的垭口,映入眼帘的是:青山环抱着一片圆圆的洼地,山上绿树葱郁,山谷 内灰瓦木屋点缀在农田之间,鸡犬之声不绝于耳。这里有个好听的名字:绿水村。12户人家65口人居住在连电都不通的封闭小世界里,在寂静晴朗的夜晚,有时 也抬头望望散布穹顶的星辰。

贵州地处亚热带湿润季风性气候区,由于这里沉积了厚厚的碳酸盐岩,加之地质、气候、水文等因素的影响,喀斯特地貌得到良好的发育,占全省总面积约70%, 特别是在贵州南部,发育了大量喀斯特峰丛洼地。科学家认为这种天然的洼地正适合建造形如大锅的FAST,可以大大减少工程成本。

 

FAST望远镜 用地球最大的“耳朵”聆听宇宙

“大窝凼”原貌


专家们先根据卫星遥感影像,对400多个备选洼地的形态特征、水文、地质、气象及电波环境等诸多方面做了评估,并通过计算机模拟了工程填挖量,从中选出30多个实地考察。

在地无三尺平的贵州,稍微平坦一点的地方,就有农民种地。很多类似“大窝凼”的洼地中都有居民。

台址系统总工程师朱博勤回忆说,有外国专家参与了考察。附近的老百姓听说后赶了半天路来围观,漫山遍野站满了人。“他们渴望了解外面的世界,就像我们渴望了解宇宙。”

科学家说要在这建一座射电望远镜,村民们不懂。当科学家说可以用射电望远镜找外星人,大家就明白了,并且特别高兴,因为全世界都会知道他们的家。

 

FAST望远镜 用地球最大的“耳朵”聆听宇宙

为FAST选址的科学家与贵州洼地中的原住民在一起


最后,专家选定“大窝凼”,因为它不大不小,深度合适,形状很圆,适于施工建设。

朱博勤说,“大窝凼”岩石有足够的承载强度,这里的喀斯特地质条件可以保障雨水向地下泄流,避免损坏望远镜。

此外,在“大窝凼”附近5公里半径内没有一个乡镇,25公里半径内只有一个县城,无线电干扰较少,无重大自然灾害记录。贵州有一批电子工业企业,具有制造大型无线电天线生产能力,拥有大型铝业基地,运输方便,水电丰富。这些为FAST建造提供了优越的工程环境。

为了人类最大的望远镜,“大窝凼”的居民搬迁到镇里居住,他们在“新世界”的生活条件大大改善。其他洼地中的村民们羡慕不已地说:“不知道哪辈子修来的福,靠外星人让他们搬离了这个地方。”

 

FAST望远镜 用地球最大的“耳朵”聆听宇宙

星空下的FAST


三、天籁之音

FAST建成后,用这只“大耳朵”听什么,科学家们还在不断讨论中。

李菂说,它投入使用后,可观测的天体数目将大幅度增加,将搜寻到更多的奇异天体,可为科学家提供更多更好的观测统计样本,更可靠地检验现代物理学、天文学的理论和模型。“FAST拟回答的科 学问题不仅是天文的,也是面对人类与自然的。它潜在的科学产出也许我们今天还难以预测。”

主要研究暗物质与暗能量的科学家陈学雷说:“我对FAST非常期待。我们希望通过观测中性氢的分布来研究宇宙膨胀速度。”

陈学雷解释说,中性氢在宇宙中到处都是,中性氢可以产生波长为21厘米的谱线。宇宙的百科全书是用微弱的21厘米氢谱线写成的。“我们通过对中性氢的观测就能知道物质在宇宙中是怎样分布的,进而可以测量出宇宙如何膨胀,并推算暗能量的性质。”

奇异的脉冲星强烈地吸引着科学家们。李菂说:“目前人类已经发现2000多颗脉冲星,我们期待找到新种类的脉冲星。在银河系的近邻仙女座M31中,科学家预测那里应有脉冲星,但是还没找到。目前所有望远镜中,几乎只有FAST才有足够的灵敏度在仙女座中找到脉冲星。我们期望能在那里找到50至80颗脉冲星。”

陈学雷说:“脉冲星有很多怪异的现象和性质,我们还无法理解。科学家已经发现一些转得特别快的脉冲星,叫毫秒脉冲星,大约每几毫秒转一圈。它为什么转那么快,还需要研究。”

“脉冲星就像天体物理实验室,很多最极端的现象就发生在那里。科学家可以将脉冲星作为工具研究万有引力。如果将来发现脉冲星与黑洞组成的双星系统,我们就可以利用脉冲星去研究黑洞周围的时空。”陈学雷说。

由于脉冲星的稳定性可以超过原子钟,有科学家提出,可以用脉冲星为太空飞船导航。

“另一个重要目标是利用脉冲星探测引力波。引力波是爱因斯坦广义相对论一个非常重要的预言,但科学家还没有检测到。引力波会使脉冲到达时间发生变化。如果我们能观测到全天的脉冲星或者某一方向上的多个脉冲星周期发生变化,就能探测到引力波。”陈学雷说。

 

FAST望远镜 用地球最大的“耳朵”聆听宇宙
建设中的FAST

科学家还准备用FAST搜寻识别可能的星际通讯信号,开展对地外文明的搜索。

李菂说:“找到地外智慧生命很难。我们的重点是寻找宇宙分子,也就是研究宇宙学尺度上的生命起源。几乎可以肯定,再有两三年,科学家就可以在太空中直接找到氨基酸。我估计找到地外生命也是非常可能的,无论是太阳系内还是太阳系外。”

他说,目前科学家已经在太空中发现大约180多种分子,如一氧化碳、氢分子、氨气、甲醛,以及一些很奇特的分子:巧克力、各种酒精、指甲油分子等。

此外,FAST将为中国深空探测提供一个高灵敏度、高分辨率的地面跟踪与遥控设备,它将使中国深空测控能力延伸至太阳系外缘,将深空通讯数据下行速率提高数十倍,同时填补美国、西班牙和澳大利亚三个深层空间跟踪站在经度分布上的空白。

李菂说:“对于人类来说,探索未知世界、满足好奇心,是与吃饭睡觉同等重要的本质权利。以前中国科学家在贫穷的条件下依然可以在数学、计算机、粒子物理等领域从事世界一流的科学研究。现在国家支持我们建设FAST这样的大型望远镜,我们将代表人类诉求不断探索未知世界。”

“探索未知世界会激发人类的创造力,去做人类以前做不到的事情,找到原来根本想象不到的解决问题的办法,这其中会产生巨大价值。”

(实习生罗彬琦参与采写)

(所有图片、视频均为国家天文台FAST工程办公室提供)



 

宇宙大爆炸决定性证据

 

引力波是在100年前由爱因斯坦的广义相对论所预言的一种现象,这种现象的发现将最终补上这项人类最伟大智慧成就之一的最后一片缺失的拼图。它将帮助天文学家们理解宇宙如何诞生并演化出星系,恒星,星云以及构成我们已知宇宙的几乎空无一物的广袤空间。

哈佛-史密松天体物理台的物理学家,这项研究工作的第一作者约翰·科瓦克(John Kovac在一份声明中表示:“探测到这一信号是当今宇宙学领域最重要的目标之一。”

引力波是在宇宙中蔓延的微小的原始波动。天文学家们数十年来一直致力于对这一现象的搜寻,因为这一现象构成了两大重要理论缺失的关键环节。其中一项理论开创了当代科学对于宇宙起源与演化的探究,即爱因斯坦在1916年提出的广义相对论,而另外一项则构成宇宙诞生与演化理论最后环节之一,它就是在上世纪1980年代逐渐发展起来的暴涨理论。138亿年前,在宇宙大爆炸之后的一瞬间,时空的暴涨造就了宇宙的开端——在不到10-34秒的时间里,宇宙迅速膨胀。

科学家们利用一架设在南极,名为“BICEP”的望远镜探测到了引力波现象。BICEP即“宇宙泛星系偏震背景成像”的英文缩写。这台设备在南极对天空进行扫描,对一种名为“宇宙微波背景辐射”的现象进行探测,这是一种弥漫整个宇宙的极微弱的辐射信号。它最早是在1964年由位于新泽西州美国贝尔实验室的科学家们发现的。迄今为止,宇宙微波背景辐射(CMB)一直被认为是证明宇宙起源于一次大爆炸事件的最好证据。

宇宙微波背景辐射在宇宙大爆炸之后38万年便出现了,到今天,其温度仅高出绝对零度3度。从其诞生之初的等离子体极高温状态,到现在已经冷却到几乎快探测不到的程度。

但这种背景辐射并非完全均匀分布。和光线一样,这种宇宙大爆炸残余的辐射也由于与空间中的电子和原子之间的相互作用而存在偏振现象。计算机模型此前已经预测了这种背景辐射应当具备的特殊偏振模式,从而使其能够与宇宙大爆炸之后的暴涨理论相吻合。

而此次研究组不仅找到了这种偏振模式,还发现它的强度要比原先预计的更强。

天文学家找到宇宙大爆炸决定性证据

(这张图像中可以看出宇宙微波背景辐射在空间上分布的微小不均一性)

 


 

NASA发现史上最亮脉冲星:比黑洞更神秘

 

美国宇航局(NASA)专门用来研究黑洞的太空望远镜NuSTAR,刚刚发现了一颗非常非常明亮的的脉冲星。天文学家使用NuSTAR偶然间发现了这颗有史以来最明亮的脉冲星,他们几乎误把它当成了一个黑洞。在测量了它的输出后,天文学家震惊了,它的输出能量相当于1000万个太阳。也就是说,它拥有匹敌黑洞的能量,但质量却要少得多,不可思议。天文学家们还不知道为什么这颗脉冲星会如此明亮,他们将对其展开进一步的研究和学习。这一发现从某种程度上动摇了现有的黑洞和x射线理论,更进一步证明,我们对于宇宙的了解真的太少了。


天文学家偶然发现史上最亮的脉冲星

天文学家偶然发现史上最亮的脉冲星

天文学家偶然发现史上最亮的脉冲星

天文学家偶然发现史上最亮的脉冲星

天文学家偶然发现史上最亮的脉冲星

天文学家偶然发现史上最亮的脉冲星

 

视频一:脉冲星是什么?  

视频二:脉冲星吞噬恒星

视频三:神奇的脉动变星
 

专辑:探索宇宙奥秘的超级望远镜

 

视频01: 中国建造世界最大射电望远镜 直径500米!(01:18)

视频02:全球最大射电望远镜即将开始拼装 (09:59)

视频03:世界最大射电望远镜反射面板开始拼装 (01:15)

视频04:关注世界最大射电望远镜:记者带你看“天眼” (02:12)

视频05:世界最大射电望远镜安装 究竟能干什么?(01:51)

视频06:贵州世界最大射电望远镜开始拼装 (03:05 CCTV)

视频07:无人机带你空中看贵州世界最大射电望远镜 (02:32 CCTV-13)

视频08:世界最大球面射电望远镜工程进入尾声 FAST馈源舱成功升舱 (02:30 CCTV-13)

视频09: 世界最大单口径射电望远镜明年将在贵州建成 (00:41)

视频10: FAST工程汇报2015_06 (07:01)

视频11:哈勃望远镜观测的最遥远星系 (00:45)

视频12[疯狂工程]探究哈勃望远镜的主镜修复工作 (03:08)

视频13:美制造人类史上最强空间望远镜 (01:39)

视频14:这就是史上最强太空望远镜 超哈勃70倍 (02:19)

视频15:太空望远镜“双人剧”,当哈勃遇上詹姆斯韦伯 (09:39)

视频16: 日地拉格朗日点L2 韦伯望远镜展开过程 (01:40 )

视频17:NASA斯皮策望远镜完成360°银河系全景照 (02:50)

视频18:发现第二个地球的开普勒望远镜是何方神圣?  (01:31)

视频19:【NASA开普勒计划】寻找地球的双胞胎兄弟 (03:39 CCTV)

视频20:探索宇宙必需品:巨型望远镜 (06:31)

 

 

 

三十米直径的巨型望远镜TMT计划建造在夏威夷的莫纳克亚山上,这里已经有好几座大望远镜,山顶附近也有极佳的观测位置

 

 




现代天文学与诺贝尔物理学奖


北京大学天文系 吴鑫基 教授

 

射电天文学成为诺贝尔奖的摇篮。 射电天文学是20世纪30年代发展起来的天文学新分支,其特点是利用射电天文望远镜观测天体的无线电波段的辐射。和光学望远镜400多年的历史相比,它仅有几十年历史,但却很快就步入了鼎盛时期。20世纪60年代射电天文学的“四大发现”,即脉冲星、星际分子、微波背景辐射、类星体,成为20世纪中最耀眼的天文学成就。2003年12月,发现了双脉冲星PSR J0737-3039 A/B。在双脉冲星系统中,必须是两个脉冲星相伴。已经发现的脉冲双星系统已经有120个,而发现的双脉冲星系统只有这一个。射电天文已成为重大天文发现的发祥地和诺贝尔物理学奖的摇篮。 诺贝尔奖没有在天文学、数学专业设立,但天文学家从事的天文研究迄今获得了9项诺贝尔物理学奖,其中与射电天文相关的有四项。


 

  1. 1974年度诺贝尔物理学奖——1967发现的脉冲星:1974年,诺贝尔(物理学)奖第一次授予天文学家:安东尼·休伊什(Antony Hewish);Martin Ryle马丁·赖尔(发明综合孔径技术 ,英国剑桥大学):1952年,赖尔提出综合孔径望远镜理论,这是一种化整为零的射电望远镜,用两面或多面小天线进行多次观测就可以达到大天线所具有的分辨率和灵敏度。而且,还能得到所观测的天区的射电图像。【脉冲星的发现证实了中子星的存在。中子星具有和太阳相当的质量,但半径只有10千米。因此具有非常高的密度,是一种典型的致密星。中子星还具有超高压、超高温、超强磁场和超强辐射的物理特性。】

  2.  

  3. 1993年度的诺贝尔物理学奖——1974发现脉冲星双星(赫尔斯、泰勒利用305米口径的Arecibo望远镜观测发现射电脉冲星双星,间接证实了引力波的存在)。他们测量出射电脉冲双星轨道周期的变化证实引力波存在。在脉冲双星系统中,一个脉冲星与另外一个非脉冲星(可以是中子星、白矮星、甚至是普通的主序星)相伴。) 他们发现的脉冲双星系统之所以重要,不仅因为是第一个,还因为它是轨道椭率很大的双中子星系统,成为验证引力辐射存在的空间实验室。他们经过近20年坚持不懈的努力,上千次的观测,终于以无可争辩的观测事实,间接证实了引力波的存在,开辟了引力波天文学的新领域。

  4.  

  5. 1978年度的诺贝尔物理学奖——彭齐亚斯和威尔逊发现宇宙微波背景辐射 1963年初,彭齐亚斯(Arno Allan Penzias)和威尔逊(Robert Woodrow Wilson)把一台卫星通讯接收设备改造为射电望远镜进行射电天文学研究。在进行观测过程中意外发现了多余的3.5K温度的辐射。这种辐射被确认是宇宙大爆炸时的辐射残余,成为宇宙大爆炸理论的重要观测证据。由此,他们获得了1978年度的诺贝尔物理学奖。彭齐亚斯和威尔逊发现宇宙微波背景辐射,所获得的黑体谱并不精确,而且他们得到的微波背景辐射的空间分布是各向同性的,这与大爆炸宇宙学的理论有着明显的差别.

  6.  

  7. 1970年度诺贝尔物理学奖——首次获诺贝尔奖的天文学家: 在太阳上发生的一切物理过程都与磁场和等离子体有关。磁流体力学成为太阳物理最重要的理论基础。瑞典科学家阿尔文(Hannes Alfvén)是磁流体力学的奠基人,他首先应用这个理论研究太阳,因此也称太阳磁流体力学。由于这一理论也适用于宇宙中其它天体和星际介质,也就成为宇宙磁流体力学。阿尔文因为对宇宙磁流体动力学的建立和发展所做出的卓越贡献而荣获1970年度诺贝尔物理学奖,这是历史上第一次以天文学研究成果获诺贝尔物理学奖。

  8.  

  9. 1983年度诺贝尔物理学奖——钱德拉塞卡的白矮星质量上限:是印度裔美国籍天文学家钱德拉塞卡奋斗终生的成就:在钱德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar)还是剑桥大学研究生的时候,他就获得了“白矮星质量上限”这一研究成果。这一成果意味着超过白矮星质量极限的老年恒星的演化归宿将可能是密度比白矮星更大的中子星或者黑洞,其意义不同寻常。但由于受到权威学者错误的压制,这一成果未能得到进一步深入研究。在这之后,他几十年如一日地研究恒星结构和演化理论,1983年,在他73岁高龄时以特别丰硕的成就获得该年度的诺贝尔物理学奖。

  10.  

  11. 1983年度诺贝尔物理学奖:BFH元素形成的理论  宇宙中存在的各种元素是怎样来的?这是个天文学家应该回答、却很难回答的问题。但是由天文学家霍伊尔(Fred Hoyle)、伯比奇(G. Geoffrey Burbidge)夫妇和核物理学家福勒(William Fowler)合作完成的研究课题却揭示了这个自然之谜。人们按论文作者姓氏字母顺序称之为B2FH元素形成理论。这篇论文解决了在恒星中产生各种天然元素的难题,被视为经典科学论文。这是天文学家和核物理学家合作研究天文学重大课题的典型例子。1983年,上述论文的第三作者福勒获得了诺贝尔物理学奖,这个结果显得很不公平,备受质疑。福勒的贡献的确很大,但是另外三位天文学家的贡献也不是可有可无的,特别是霍伊尔作为这个研究课题的提出者和组织者,其前期的研究已经提出“恒星内部聚变产生元素”的创新思想,把他排除在诺奖之外很有些匪夷所思。

  12.  

  13. 2002年度诺贝尔物理学奖——贾科尼创立X射线天文学: 1901年伦琴 (Wilhelm Conrad Röntgen)因为发现X射线荣获诺贝尔物理学奖。时隔102年,X射线天文学的创始人里卡尔多·贾科尼(Riccardo Giacconi)又获诺奖殊荣。由于地球大气对X射线和射线的强烈吸收,只能把探测器送到大气层外才能接收天体的X射线和射线辐射。20世纪30年代以后,特别是到了90年代,空间探测的发展使得X射线天文学得到了发展,实现了天文学观测研究的又一次飞跃。美国天文学家贾科尼由于对X射线天文学的突出贡献荣获2002年度诺贝尔物理学奖。 贾科尼对X射线天文学的贡献是全面的,瑞典皇家科学院发表的新闻公报把他的贡献归纳为“发明了一种可以放置在太空中的探测器,从而第一次探测到了太阳系以外的X射线源,第一次证实宇宙中存在着隐蔽的X射线背景辐射,发现了可能来自黑洞的X射线,他还主持建造了第一台X射线天文望远镜,为观察宇宙提供了新的手段,为X射线天文学奠定了基础。贾科尼被称为 “X射线天文学之父”当之无愧。

  14.  

  15. 2002年度诺贝尔物理学奖——成功探测太阳中微子: 戴维斯和小柴昌俊发现太阳中微子 中微子是组成自然界的最基本的粒子之一,中微子不带电,质量只有电子的百万分之一,几乎不与任何物质发生作用,因此极难探测。理论推测,在太阳核心发生的氢核聚变为氦的反应中,每形成一个氦原子核就会释放出2个中微子。太阳每秒钟消耗5.6亿吨氢,要释放1.4×1038个中微子。太阳究竟会不会发射如此多的中微子?只能由观测来回答。美国物理学家戴维斯(Raymond Davis)是20世纪50年代唯一敢于探测太阳中微子的科学家。他领导研制的中微子氯探测器,放置在地下深1500米的一个废弃金矿里。在30年漫长的探测中,他们共发现了来自太阳的约2000个中微子,平均每个月才探测到几个中微子。而日本东京大学的小柴昌俊(Masatoshi Koshiba)教授创造了另一种中微子探测器。这两台探测器分别放在很深的矿井中,并分别于1983年和1996年开始探测,都探测到了来自太阳的中微子。1987年,在邻近星系大麦哲伦云中出现了一次超新星爆发,理论预测在超新星爆发过程中会产生数量惊人的中微子。令人兴奋不已的是,他们成功地探测到了12个中微子。戴维斯和小柴昌俊因为成功地探测到中微子而荣获2002年度的诺贝尔物理学奖。

  16.  

  17. 2006年度诺贝尔物理学奖——“宇宙背景探测者”卫星(简称COBE)发现宇宙微波背景辐射各向异性: 马瑟和斯穆特发现宇宙微波背景辐射黑体谱和各向异性的空间分布 美国宇航局戈达德空间飞行中心的马瑟(John C.Mather)和加利福尼亚大学伯克利研究中心的斯穆特(George Fitzgerald Smoot III),为了精确测定微波背景辐射的黑体谱和检测其各向异性的特性进行了专门空间观测。他们组织领导了“宇宙背景探测者”卫星(简称COBE)的研制,卫星携带了毫米波、亚毫米波和红外波段的观测设备,进行了4年的观测。最终确认,宇宙微波背景辐射谱与温度为2.726开的黑体谱惊人一致。还发现宇宙微波背景辐射各向异性现象的存在。2006年,马瑟和斯穆特共同获得了该年度的诺贝尔物理学奖。

  18.  

  19. 2011年度诺贝尔物理学奖——佩尔穆特、施密特和里斯发现是暗能量在推动宇宙加速膨胀: 发现宇宙加速膨胀的佩尔穆特、施密特和里斯 2011年的诺贝尔物理学奖,授予了发现宇宙在加速膨胀的3位天文学家:美国的索尔·佩尔穆特(Saul Perlmutter)、美国/澳大利亚双重国籍的布赖恩·施密特(Brian Paul Schmidt)和美国的亚当·里斯(Adam Guy Riess)。这项成就源于对Ia型超新星的观测研究。Ia超新星爆发是由于处在双星系统中的白矮星吸积伴星物质,导致质量超过了白矮星的质量上限而发生塌缩和爆炸。由于这一类型的超新星爆炸时的质量几乎都相同,所以它们的最大光度几乎是一样的,可以作为“标准烛光”,成为一种估算遥远天体距离的重要方法。超新星的主要观测手段是光学观测。佩尔穆特等三人分属两个课题组,研究课题都是“超新星宇宙学研究”,都是要寻找遥远的Ia型超新星。他们发现远处的 Ia型超新星的视亮度比预期要暗25%,也就是比预期的距离更为遥远,意味着宇宙膨胀的速度比预想的要快,宇宙处在加速膨胀之中。这一结果当即轰动世界。分析认为,是暗能量在推动宇宙加速膨胀。

 

 

20世纪60年代天文学“四大发现”:

 

    1. 脉冲星

    2. 类星体

    3. 宇宙微波背景辐射: 彭齐亚斯和威尔逊发现宇宙微波背景辐射 1963年初,彭齐亚斯(Arno Allan Penzias)和威尔逊(Robert Woodrow Wilson)把一台卫星通讯接收设备改造为射电望远镜进行射电天文学研究。在进行观测过程中意外发现了多余的3.5K温度的辐射。这种辐射被确认是宇宙大爆炸时的辐射残余,成为宇宙大爆炸理论的重要观测证据。由此,他们获得了1978年度的诺贝尔物理学奖。彭齐亚斯和威尔逊发现宇宙微波背景辐射,所获得的黑体谱并不精确,而且他们得到的微波背景辐射的空间分布是各向同性的,这与大爆炸宇宙学的理论有着明显的差别。

    4. 星际有机分子: 汤斯开创分子谱线天文学 美国物理学家汤斯(Charles Townes)利用氨分子受激发射的方式代替传统的电子线路放大,研制出了波长为1.25厘米的氨分子振荡器,简称为脉泽。他由地球上的“脉泽”联想到太空中的分子,预言星际分子的存在。并计算出羟基(-OH)、一氧化碳(CO)等17种星际分子谱线频率。1963年,年轻的博士后巴瑞特观测到了预言中的羟基分子谱线,成为轰动全球的20世纪60年代四大发现之一。由此汤斯成为分子谱线天文学的拓荒人和首创者。1964年,他因氨分子振荡器成功研制而获该年度的诺贝尔物理学奖,而这项研究的副产品开创了一门新兴的天文学科,其科学意义不逊于氨分子振荡器的研制成功。

     




    1967年11月28日 人类发现脉冲星

    2015-11-28 00:00  来源: 科普中国

     

     

    1967年8月,剑桥射电天文台的女研究生贝尔在记录纸带上察觉到一个奇怪的“干扰”信号



    脉冲星(Pulsar),是中子星的一种,为会周期性发射脉冲信号的星体,直径大多为20千米左右,体积很小、磁场极强、自转极快。脉冲星实际上持续发射恒定的能量流或射电波段辐射,但此能量流沿磁轴汇聚在一个非常窄的光束里,从星体的两个磁极发射出来,因高速自传,光束周期性地照射到地球成为观测到的脉冲[辐射]信号(也称“灯塔效应”)。脉冲星发射的射电脉冲的周期性非常有规律,短的几毫秒。绝大多数的脉冲星可以在射电波段被观测到。少数的脉冲星也能在可见光X射线甚至γ射线波段内被观测到,例如著名的蟹状脉冲星就可以在射电到γ射线的各个波段内被观测到。




    脉冲星及其伴星

     

    1932年,英国物理学家查德威克发现中子以后,前苏联物理学家朗道就提出可能存在主要由中子组成的中子星。直到1967年发现了脉冲星,才解开了萦绕天文学家和物理学家脑际30多年的中子星之谜。

    1967年7月,英国剑桥大学穆拉德射电天文台建起新型射电望远镜,目的是观测太阳系行星际空间的闪烁现象。一位年仅24岁的女青年乔斯琳·贝尔 担任监测工作。这是一项非常辛苦而又非常细致的工作,贝尔认真负责,干得十分出色。就在这一年的8月6日,贝尔在长长的记录纸带上发现了一个奇怪的“干扰” 信号。通常射电闪烁现象不会出现在夜晚,这个信号没有理由出现。直到11月28日,贝尔才成功地记录下这个射电源的节奏:它每隔1.33秒向地球发出一个脉冲。她的导师休伊什认为这有可能是地外文明发出的信号。
     

    1967年12月25日,贝尔又发现了第二个这样的天体讯号。1968年1月,她又连续发现了两个这样的天体讯号,打破了地外文明发出信号的假设。在探讨中,他们想起在30多年前科学家提出过的中子星假设,认为这是一种快速自转的中子星,并将其命名为脉冲星。1968年2月,他们在《自然》杂志上报告了脉冲星的发现,并认为脉冲星就是物理学家预言的中子星。1968 Nature Volume 217, Issue 5130, pp.709-713.标题:“快速脉动射电源观测”(Observation of a Rapidly Pulsating Radio Source),摘要:Mullard射电天文台记录到脉动射电源发出的异常信号。这种辐射似乎来自银河系内的天体,并且可能与白矮星或中子星的震荡有关。


    后来的研究表明,脉冲星确实就是快速旋转的中子星。除高速自转外,脉冲星还具有极强的磁场,电子从磁极射出,辐射具有很强的方向性,由于脉冲星的自转轴和它的磁轴不重合,因此在自转中当辐射向着观测者时,观测者就接收到了脉冲信号。


    从20世纪30年代提出的中子星设想,到60年代得到验证,这是研究恒星演化史的一项重大突破。休伊什教授也因此荣获1974年诺贝尔物理学奖。(摘自:科普中国)

     

     

    “脉冲星”示意图:中央小球为中子星,环形曲线是磁力线,蓝色细长的锥代表辐射区域,绿色直线是自转轴。每当射电波束扫过地球,我们就会看到一次脉冲。


    毫秒脉冲星

    20世纪80年代,由发现了一类所谓的毫秒脉冲星,它们的周期太短了,只有毫秒量级,之前的仪器虽然能探测到,但是很难将脉冲分辨出来。研究发现毫秒脉冲星并不年轻,这就对传统的“周期越短越年轻”的理论提出了挑战。进一步的研究发现毫秒脉冲星与密近双星有关。
     

    著名的脉冲星

    人类发现的第一颗脉冲星:PSR1919+21,也就是上文贝尔小姐发现的那颗脉冲星,位于狐狸座方向,周期为1.33730119227秒。

    人类发现的第一颗脉冲双星:PSR B1913+16 —— 一个脉冲星与另外一个非脉冲星(可以是中子星、白矮星、甚至是普通的主序星)相伴。已经发现的脉冲双星系统已经有120个。

    人类发现的第一颗毫秒脉冲星:PSR B1937+21

    人类发现的第一颗太阳系外行星——带有行星系统的脉冲星:PSR B1257+12

    人类发现的第一颗脉冲星系统:PSRJ0737-3039A/B —— 2003年12月,两个都是脉冲星,目前仅一个
     

    脉冲星、中子星、超新星、超新星遗迹

    脉冲星是高速自转的中子星,但并不是所有的中子星都是脉冲星。因为当中子星的辐射束不扫过地球时,我们就接收不到脉冲信号,此时中子星就不表现为脉冲星了。

    脉冲星被认为是“死亡之星”,是恒星在超新星阶段爆发后的产物——通常情况下,超新星爆发之后,会在原来的遗址上留下来一颗恒星的残骸,就只剩下了一个“核”,仅有几十公里大小,它的旋转速度很快,有的甚至可以达到每秒714圈。这样的残骸很可能就是脉冲星。在旋转过程中,它的磁场会使它形成强烈的电波向外界辐射,脉冲星就像是宇宙中的灯塔,源源不断地向外界发射电磁波,这种电磁波是间歇性的,而且有着很强的规律性。正是由于其强烈的规律性,脉冲星被认为是宇宙中最精确的时钟。

    美国北卡罗来纳州的三名中学生,是天文发烧友,钱德拉塞卡空间望远镜发回的资料引起了他们的兴趣,他们发现在IC443的超新星遗迹有些特别,似乎有一个点状的X射线源存在,这表明那里很可能会有一颗脉冲星。他们的怀疑获得了专业天文学家、麻省理工学院脉冲星专家布赖恩博士专家的认可,


    1054超新星-超新星残骸-蟹状星云脉冲星

    蟹状星云 (The Crab Nebula,星表编号是M1和NGC 1952)。我们现在知道蟹状星云实际上是一个超新星遗迹及中心为一颗脉冲星的星云,它是一颗大质量恒星死亡爆炸后,所留下来的一团扩张碎片云。 1840年William Parsons,3rd Earl of Rosse (罗斯伯爵)第一个用一架36英寸(91厘米)口径的望远镜肉眼观测到了此星云后手绘了一幅图,因形状酷似一只螃蟹,因此被称为蟹状星云。到1892年美国天文学家拍下了蟹状星云的第一张照片,30年后天文学家 在对比蟹状星云以往的照片时,发现它在不断扩张,速度高达1100公里/秒,于是人们便对蟹状星云的起源发生了兴趣。由于蟹状星云扩张的速度非常快,于是天文学家便根据这一速度反过来推算它形成的时间,结果得出一个结论:在900多年前,蟹状星云很可能只有一颗恒星的大小。因此1928年美国天文学家哈勃首次把它与超新星拉上了关系,认为蟹状星云是公元1054年超新星爆发后留下的遗迹。巧的是,蟹状星云剧烈的诞生事件, 中国(北宋的)天文学家在公元1054年的的确确就有第一手的观测记录。


    如今,星云的跨幅(延伸范围)约有10光年,而且还在以每秒超过1,000公里的速率扩张之中。想看蟹状星云如何扩张吗?请参见这则比较1999年欧南天文台和2012年李蒙山天文中心(上图)M1照片的动画。天文学家以背景恒星为标记,对齐了这两张影像。蟹状星云位于金牛座星座内,离我们约有6,500光年。


    根据中国历史记载,在现在蟹状星云的那个位置上,曾经有过超新星爆发,那就是1054年7月4日(宋仁宗至和元年的五月己丑)大约寅时出现的、特亮的天关星“天关客星”。中国宋朝司天监对那次爆发作出过观测,史料中有以下记载:“己丑,客星出天关之东南可数寸。嘉祐元年三月乃没。”



    《宋史·天文志》:“宋至和元年五月己丑,客星出天关东南可数寸,岁余稍末。” 《宋史·仁宗本纪》:“嘉祐元年三月辛未,司天监言:自至和元年五月,客星晨出东方,守天关,至是没。”< 《宋会要》:“嘉佑元年三月,司天监言:‘客星没,客去之兆也’。初,至和元年五月,晨出东方,守天关。昼如太白,芒角四出,色赤白,凡见二十三日。

    总括以上文字,可得知在“宋至和元年五月己丑”(即1054年7月4日)开始,有“客星”出现在天关(即金牛座ζ星)附近,星的颜色是赤白。在最初的23天,即使在白昼,其光度如“太白”(即金星)。直至一年多后的“嘉祐元年三月辛未”(即1056年4月5日)才消失不见。这个客星真是一个“不速之客”,来了就不走。在23天的时间里,像太白金星一样亮,白天都可以看到,即所谓“昼见如太白”,“凡见二十三日”。客星看不到的日期是1056年4月6日,距离客星出现的日期1054年7月4日已经整整过了643天。在这将近两年的时间里,只要能看到客星。司天监的人员总是坚持不懈地进行观测,他们详细地记录了客星的位置、颜色和亮度变化。这些详细的观测资料虽然大部分已经遗失,但仅是这流传下来的简短记载,已经使后人敬佩不已了。
     

    射电 红外 可见光 紫外 X射线 γ射线


     

    Crab Nebula 蟹状星云 —— 这是哈勃空间望远镜在环绕地球的轨道天文台上使用其主力宽场相机WFPC2拍摄的迄今整个蟹状星云最全面(视场范围最大)最详细的照片。蟹状星云可以说是天文学各个领域最有趣、研究最透彻的天体,它是中国 北宋1054年有文字记载的一次超新星爆发后的遗迹,其延伸范围达10光年,中心是一颗脉冲星,即一颗太阳质量大小的中子星,但仅是一个小村镇那么大,以每秒30圈的高速旋转。
      

    1967年发现脉冲星后不久,蟹状星云又成为研究热点。意大利佛罗仑萨大学天体物理学家Franco Pacini教授就在脉冲星发现前几个月发表了第一份具体的建议:强力磁化的中子星能够释放它们的自转能并产生大流量的相对论粒子。他最先预言说蟹状脉冲星(The Crab Pulsar,PSR 0531+21)的存在可以解释星云的亮度。很快,这个星在1968年被观测到。1969年天文学家发现星云的中心是一颗脉冲星,它的直径约28-30公里,每秒自转30.2次 ,它的脉冲周期是0.0331秒,为1982年前已发现脉冲星中周期最短的一个,并发射出从γ射线到无线电波的宽频率范围电磁波。它也是首颗被确认为历史上超新星爆发遗迹的天体。蟹状星云的X射线和γ射线辐射能量超过30keV,最高可达10TeV,而且非常稳定,因此天文学家将蟹状星云看成是宇宙中最稳定的高能辐射源之一,并将其作为一种标准来测量宇宙其他辐射源的能量。1963年 发现蟹状星云是一个X射线源, 1964年 中心附近发现了一个致密源, 1968年 发现蟹状星云是一个γ射线源, 1969年 发现NP0532同时是一颗光学脉冲星。
     

    这颗高速自旋的脉冲星证明了30年代对中子星的预言,肯定了一种恒星演化理论:超新星爆发时,气体外壳被抛射出去,形成超新星遗迹,就象蟹状星云,而恒星核心却迅速坍缩,由恒星质量决定它的归宿是颗白矮星还是中子星或是黑洞。中子星内部没有热核反应,但它的能量却大得惊人,比太阳大几十万倍,这样大的能量消耗,靠的是自转速度的变慢,即动能的减少来补偿,才能符合能量守恒定律。第一个被观测到的自转周期变长的中子星,恰好是M1中的中子星。总之,人类对蟹状星云的研究占了当代天文学研究的很大比重,也的确得到了相当比重的研究成果。
     

    蟹状星云双色叠加合成图像:蓝色是X射线图像,红色代表光学波段图像。X射线图像较小,是因为当电子运动时,发射X射线的高能电子向外辐射能量远比发射可见光的低能电子要快很多。


    寻找外星人:太阳系外行星搜寻


    虽然脉冲星不是外星人发射的信号,但是人们依然对外星人极感兴趣,人们认为,如果有外星人的话,他们应该在一颗行星上,于是,寻找太阳系以外的行星的工作就从来没有停止过,许多人在这条道路上艰难的向前摸索着。第一个发现太阳系以外行星的是一位研究脉冲星的科学家。
     

    亚历克斯·沃尔兹坎的观测证据确确实实地表明,有一颗脉冲星不仅只被一颗行星所环绕,而是具有一整套行星系统!颠覆了“脉冲星不可能有行星环绕”。他不仅发现了脉冲星的“摇摆”,而且计算出有3颗行星在围绕这颗脉冲星运行,并且这些行星每200天就相会一次,每一次其中两颗较大的行星都会相互影响对方,这样就使它们的轨道发生一些微妙的改变。正是这些改变,使他发现了这颗脉冲星拥有行星的秘密。脉冲星的行星就是这样被发现了,而且它还是一个完整的行星系统,但是这个时候,那些猎星人连一个太阳系以外的行星也没有找到,这样的发现让猎星人感到十分困惑,因为脉冲星具有行星,这是天文学家过去没有想到的。脉冲星是爆发过的中子星,他怎么可能会有行星呢?第一个日外行星系统就是这样被发现了,由于它不符合现代的天文学理论,这个发现总是让人感到有些意外。直到1995年瑞士日内瓦天文台的Michel Mayor教授和Didier Queloz博士才在著名的《自然》杂志发表第一颗围绕类太阳恒星51 Pegasi (飞马座51b)的木星质量大小的太阳系外行星
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    系外行星权威官网
    开普勒空间望远镜探测到的外行星.  


     

     

    脉冲星研究的现状与进展


    1.目前已经发现约2000颗脉冲星:脉冲星的发现给了天文学研究以前从未观测到的中子星的机会。

     

    2.脉冲星导航 :脉冲星发射非常有规律的射电波脉冲,无线电发射无需每天改正。脉冲星定位可以创造独立的宇宙飞船/航天飞机导航系统,或者与卫星导航一起使用。

     

    3.利用脉冲星研究银河系磁场

       

    4.利用脉冲星探测星际介质

       

    5.精确时钟:一般而言,脉冲星的规律发射比不上原子钟的稳定。一些毫秒脉冲星的脉动规律性倒是比原子钟更精确。因此,毫秒脉冲星可以用来建立历元时(ephemeris time)或者建造脉冲星钟

      

    6. 脉冲星作为引力波探测器:国际上现在有3个联合研究团队正在利用脉冲星搜寻引力波:欧洲脉冲星计时阵(EPTA),澳大利亚的Parkes脉冲星计时阵、北美纳米赫兹天文台引力波,以及国际脉冲星计时阵。毫秒脉冲星被用作银河系时钟。

      

    7. 时空探测:围绕银河系中心超大质量黑洞、在弯曲的时空运动的脉冲星可以当作强引力场的探针。

     

     

     

    这是钉在 美国NASA的先锋10和11号宇宙飞船(1972,1973)的天线上的“先锋牌匾”:图案描绘了地球上的人类及飞船来自太阳系、14颗脉冲星、中性氢的超精细跃迁等图像信息。意图是:也许飞船在飞行中 被外星人拦截呢?外星人就可以计算出来我们在时间和空间上的位置。有兴趣者可以进一步了解 Pioneer_plaque.

     

    1974年11月16日,位于波多黎各的美国305米Arecibo射电望远镜以频率调制的无线电波方式向2万5千光年远的球状星团M13的太空方向播发代表地球文明的信息——上图中数字1到10;组成脱氧核糖核酸(DNA)的氢、碳、氮、氧、磷的原子数;人类;太阳系天体;Arecibo望远镜等的图像,希冀外星人能收到。这些信息用二进制编码,大约1679二进制位(=73行×23列)或210字节(=105个汉字)。彩色图是方便区分不同的内容,实际发射的是左边的单色图。因为这些消息要25000年才能到达预期目的星球,这次播发不是为了与外星人联系,主要是展现新装系统的发射能力。有兴趣者可以进一步了解 Arecibo message.
     

    澳大利亚Parkes64米射电望远镜实时捕捉宇宙快速爆发

    澳大利亚Parkes64米射电望远镜

     

     

    世界最大射电望远镜初现雏形

    腾讯科技 [微博]2015年07月25日07:35

     

    [摘要]中国正在建造FAST射电望远镜,将成为世界上最大的射电望远镜,超过著名的阿雷西博望远镜。

     

    世界最大射电望远镜初现雏形

    FAST射电望远镜位于贵州省西南部的群山之中


     

    腾讯太空讯   据国外媒体报道,中国建造世界上最大的射电望远镜,面积接近30个足球场的大小,这座巨大的射电望远镜项目被命名为FAST,位于贵州省西南部的群山之中。事实上FAST射电望远镜与世界上著名的阿雷西博望远镜类似,在山谷中挖了一个凹形面,把望远镜建造在山谷之中。阿雷西博望远镜目前仍然保持着单面口径的纪录,直径为305米,接近1000英尺,位于波多黎各的山谷中,主要用于监听宇宙中的神秘信号,同时也有天体观测任务。

    对年来,中国科学家一直依靠国外的射电望远镜收集数据,也就是“二手”的观测数据,如果新的望远镜落成,就可以通过FAST射电望远镜观测宇宙,并获得最新的数据,大大增强我国的深空观测能力。中国天文学会的专家认为FAST射电望远镜是一个比较灵敏的射电望远镜,能够收集到遥远而且微弱的无线电信号,有助于我们寻找地外生命,探索宇宙起源。

    对于我国的太空计划,外媒认为2020年中国将建造轨道空间站,质量为60吨,与俄罗斯的和平号空间站类似,但规模要小得多。通过对接不同的飞船实现功能拓展,最大质量能够超过100吨,但与国际空间站仍然有所差距。FAST射电望远镜也是庞大深空计划的一部分,其周围五公里范围内没有城镇,因此可以避开无线电的干扰,是一处理想的射电望远镜安置地点。(罗辑/编译)


     



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