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        作者:李菂等 來源:《自然》 發布時間:2022/1/6 10:01:00
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        運行兩周年,中國天眼大成果發《自然》封面
        解決恒星形成經典問題 挑戰星際磁場標準模型

         

        1月6日凌晨,《自然》雜志以封面文章形式發表了“中國天眼”(FAST)的最新成果。

        在該成果中,中國科學院國家天文臺研究員李菂等領導的國際合作團隊,通過FAST平臺,采用原創的中性氫窄線自吸收方法,首次獲得原恒星核包層中的高置信度的塞曼效應測量結果。研究發現,星際介質具有連貫性的磁場結構,異于標準模型預測,為解決恒星形成三大經典問題之一的“磁通量問題”提供了重要的觀測證據。

        記者了解到,這是FAST產出的系列重大成果之一。自2020年1月11日通過國家驗收至今,FAST已運行近兩周年,基于超高靈敏度的明顯優勢,它已成為中低頻射電天文領域的觀天利器。

        《自然》雜志封面 (中科院國家天文臺供圖)

        又一重磅,挑戰恒星磁場的標準模型

        磁場在恒星、行星和生命的產生中發揮著重要作用,過程復雜。“磁通量問題”是恒星形成中經典三大難題之一,分子云的星際磁場強度測量是全球天文界的共性挑戰。

        恒星誕生于分子云中,分子云中的致密區域發生塌縮,最終形成恒星。恒星磁場的標準模型認為,在恒星形成的過程中,磁場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,磁場也越強。按照這一模型,一顆恒星的形成過程中,重力和磁場不斷拉扯,以至于恒星的形成需要上千萬年。

        但是,要測量分子云的星際磁場強度并不是件容易的事。目前,可用于測量磁場強度的唯一手段就是“塞曼效應”。1896年,荷蘭物理學家塞曼發現,把產生光譜的光源置于足夠強的磁場中,磁場作用于發光體使光譜發生變化,一條譜線即會分裂成幾條偏振化的譜線。根據光譜的變化,科學家就可以反推出磁場的強度。

        但是,要探測分子云的塞曼效應卻難度很大。“分子和磁場的作用普遍非常弱,塞曼效應也非常弱。”李菂說。

        為了更好地測量出星際磁場,李菂團隊另辟蹊徑,原創出一種通過測量氫原子的譜線來測量星際磁場的方法——“中性氫窄線自吸收方法”。“原子對磁場的響應會比分子強,氫原子是宇宙中豐度最高的元素,廣泛存在于宇宙的不同時期,也是不同尺度物質分布的最佳示蹤物之一。”李菂說。

        FAST為李菂等人提出的新方法創造了應用的機會。“FAST望遠鏡是探測暗弱中性氫源的利器。”李菂說。

        通過FAST望遠鏡,他們測量了L1544 分子云包層的磁場強度,首次實現了原創的中性氫窄線自吸收方法塞曼效應的探測,也實現了利用原子輻射手段來探測分子云磁場的從0到1的突破。

        研究人員發現,與標準模型的預測結果不同,星際介質從恒星外圍的冷中性氣體,到原恒星核,具有基本一致的、連貫性的磁場結構。“由此,我們將恒星形成的時間從上千萬年減少到百萬年。”李菂說。

        這一研究成果引起了國際學者的關注。未參與此項研究的美國伊利諾伊大學教授理查德·克魯切爾(Richard Crutcher)評價:“通過觀測中性氫窄自吸收線的塞曼效應,FAST首次揭示了在恒星形成的早期階段,磁壓不足以阻止引力收縮,這與恒星形成的標準理論不一致。這一發現對于理解恒星形成的天體物理過程至關重要,并顯示了 FAST 在解決重大天體物理問題方面的潛力。”

        運行兩年,FAST產出一系列大成果

        從2020年1月11日通過國家驗收至今,兩年來,來自FAST的好消息頻傳。僅2021年,FAST就產出了不少重要成果。

        2021年10月14日,《自然》雜志發表了FAST獲得迄今最大快速射電暴爆發事件樣本的成果??焖偕潆姳‵RB)是宇宙中最明亮射電爆發現象,由于起源未知,它成為天文學研究的熱點。國家天文臺科研人員領導的國際合作團隊,利用FAST對快速射電暴FRB121102進行觀測,在約50天內探測到1652次爆發事件,獲得迄今最大的快速射電暴爆發事件樣本,超過此前本領域所有文章發表的爆發事件總量,這一成果還首次揭示出快速射電暴爆發率的完整能譜及其雙峰結構。

        “FAST多科學目標巡天已經發現至少6例新快速射電暴,正在為揭示這一宇宙中神秘現象的機制、推進這一天文學全新的領域做出獨特的貢獻。”國家天文臺副研究員王培說。

        2021年5月,國內學術期刊《天文和天體物理學研究》發表了FAST持續發現毫秒脈沖星的成果。發現脈沖星是國際大型射電望遠鏡觀測的主要科學目標之一,國家天文臺研究員韓金林領導的FAST重大優先項目“銀道面脈沖星快照巡天”在不到兩年時間,累計觀測了約620個機時,完成了計劃搜尋天區的8%。澳大利亞科學院院士曼徹斯特(Manchester)教授評價“發現這么多脈沖星令人印象深刻”,“發現如此眾多毫秒脈沖星,是一個顯著的成就”。

        “截至目前,該項目新發現279顆脈沖星,其中65個為毫秒脈沖星,在雙星系統中的有22顆。”韓金林說。

        2021年12月,國內學術期刊《中國科學》以封面及編輯點評文章形式發表了FAST開展多波段合作觀測的成果。在這項成果中,國家天文臺科研人員領導的國際合作團隊,將FAST與高能波段的重要空間天文設施——費米伽馬射線天文臺大視場望遠鏡(Fermi-LAT)相結合,進行天地一體化協同和后隨觀測,發現了多顆脈沖星,多波段合作觀測不僅開啟了FAST脈沖星搜索新方向,而且打開了研究脈沖星電磁輻射機制的新途徑,為研究中子星星族演化和探測引力波提供了更多樣本。

        面向未來,觀天利器正摩拳擦掌

        FAST頻繁產出大成果,與其運行效率和觀測質量密不可分。“一年來,中科院深入貫徹落實總書記重要指示精神,全力做好FAST的開放運行和科學研究工作,在第一時間就成立了FAST科學委員會、時間分配委員會、用戶委員會,統籌規劃科技方向,遴選重大項目,制定數據開放的政策,充分發揮FAST的科技效果,促進重大科技成果產出。”中科院副院長、黨組成員周琪院士說。

        在體制機制的保障下,2021年,FAST的年觀測時長超過5300小時,已遠超國際同行預期的工作效率,為FAST科學產出起到重要支撐作用。

        “2021年,FAST一半的機時用于優先和重大科學項目,45%的時間用于自由申請的項目,包括10%的時間用于國際開放項目,5%的時間用于應急觀測。”中科院院士、國家天文臺研究員武向平說,“FAST正在考慮面向全國中小學生開放1%的觀測時間,目前相關申請、遴選方法仍在討論之中。”

        他介紹,FAST的優先科學目標包括研究快速射電暴的物理機制、搜尋脈沖星、利用脈沖星測時陣列探測引力波、通過21厘米中性氫輻射探測星系和宇宙大尺度結構,此外,FAST的另一使命是尋找地外文明,包括尋找第二地球、截獲外星人通訊以及尋找生命分子。

        2021年3月31日,FAST正式向全球開放共享,向全球天文學家征集觀測申請。此次征集收到來自不同國家共7216小時的觀測申請,最終14個國家(不含中國)的27份國際項目獲得批準,并于2021年8月啟動科學觀測。“中國射電望遠鏡發展堅持走‘獨立自主’與‘國際合作’的道路。”武向平說。

        關于未來,武向平表示,FAST將在快速射電暴起源與物理機制、中性氫宇宙研究、脈沖星搜尋與物理研究、脈沖星測時與低頻引力波探測等方向產出深化人類對宇宙認知的科學成果。(來源:中國科學報 倪思潔) 

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        https://doi.org/10.1038/s41586-021-04159-x

        https://doi.org/10.1038/s41586-021-03878-5

        https://doi.org/10.1088/1674-4527/21/5/107

        https://doi.org/10.1007/s11433-021-1757-5

         
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