500米口径球面射电望远镜工程(FAST工程)

2. 观测脉冲星――研究极端状态下的物质结构与物理规律

    (一)发现新脉冲星

    至2007年,已发现脉冲星1850颗,其中毫秒脉冲星200余颗,x射线脉冲星80余颗,河外脉冲星25颗。脉冲星是极端物理条件下的实验室,是“星际介质的探针”。银河系内激变射电星的研究也是当前一个前沿课题。
    理论估计银河系中可观测到的脉冲星约6万颗,已发现的不足其3%。最初发现的100颗全部是正常脉冲星,且全部是单星。当发现脉冲星数目增至500颗时,脉冲星的研究产生了一个飞跃,发现了毫秒级脉冲星、双中子星系统、中子星和白矮星系统、中子星和大质量伴星系统、脉冲星中的行星系统、X射线和射线脉冲星、有高能射线而无射电脉冲的脉冲星等新品种。当高灵敏度的多波束巡天使脉冲星的数目增至1700颗时,更新的发现随之而来。例如,周期长达8.5秒普通脉冲星的发现对中子星结构和物态方程提出了挑战;首次捕捉到双脉冲星双星系统  ―  PSRJ0737-3039A/B,而且,其2.4小时的轨道周期和极其高速的轨道运动,将使这两个中子星并合的时间大大缩短,观测中子星并合事件是国际引力波探测的重要目标之一,这一发现也许为人类提供千载难逢的好机会
    目前新品种脉冲星的数目还很少,而且它们往往是在现有设备的探测极限附近发现的。FAST具有高灵敏度和大天区覆盖,有利于发现更多脉冲星,特别是发现更多弱脉冲星、毫秒脉冲星、脉冲双星、双脉冲星系统、脉冲星行星系统、河外强脉冲星、非球状星团毫秒脉冲星等罕见品种。根据计算机仿真结果,  FAST使用多波束馈源、1  小时积分时间,  将能用一年巡视时间发现数千颗新的脉冲星。脉冲星巡视需要多波束、全偏振、高品质的制冷接收机,以提高检测灵敏度和巡视效率。


    (二)发现稀有品种脉冲星和射电瞬变天空巡视  

    在FAST这样巨大的脉冲星巡天样本中也许会找到目前尚未发现而可能存在的新品种。例如中子星-黑洞双星,这一系统中两颗致密天体的运动不受环境介质影响、没有相互的质量交流、不必考虑它们之间的潮汐作用,可以不依赖模型更好地检验引力理论,直接精确求解黑洞的质量。又例如自旋周期小于0.5毫秒的奇异星或者夸克星,目前观测到的射电脉冲星旋转速度为每秒716圈(周期1.39毫秒),最近宣称发现的X射线脉冲星旋转速度为每秒1122圈(周期0.89毫秒),发现亚毫秒脉冲星将终止“中子星与夸克星”久而未决的争论,帮助人类认识超核密度物态及深层次物理规律。  
    FAST非积分高的原始灵敏度特别适用于脉冲星偏振、单脉冲等的研究,揭示脉冲星辐射的成因,对星际介质做更精确的探测。例如部分时间发射和极端零脉冲脉冲星(Part  time  pulsars  and  extreme  nuller),其成因尚不清楚,被认为是银河系中大量存在的新一类脉冲星,但是它们绝大部分时间没有辐射,使观测发现非常困难。零脉冲比例高达90%以上的脉冲星不断发现引起天文界广泛关注。又例如转动射电暂源(Rotating  Radio  Transients),这类天体像脉冲星一样发射脉冲,但每个脉冲之间有多达几百甚至几千个标准假想周期的间歇,它们是旋转的,但不一定就是脉冲星。  
    射电瞬变天空(Radio  Transient  Sky)所包括的天体类型和天体辐射现象五花八门,除上述部分时间发射的零脉冲脉冲星和转动射电暂源之外,还包括脉冲星巨脉冲、羟基脉泽、活动星系核的喷发、超新星的射电爆发、活动恒星射电耀发、木星、褐矮星射电耀发、天变源―恒星际闪烁(IDV-ISS)、射线暴余晖-恒星际闪烁(GRB  afterglows-ISS)、磁星的射电爆发和褐矮星周期性射电耀发等等。它们的共性是弱辐射或者微弱的辐射变化、宽的辐射谱、宽的变化时标,这些都需要望远镜有高的粗糙灵敏度、大视场、高效的数字终端以及先进的搜寻分析软件。