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    面向世界科技前沿,面向國家重大需求,面向國民經濟主戰場,率先實現科學技術跨越發展,率先建成國家創新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設國際一流科研機構。

    ——中國科學院辦院方針

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    【中國青年報】和中國天眼一起“追星”

    2022-06-13 中國青年報 張渺
    【字體:

    語音播報

    星空下的中國天眼FAST。張永坤/攝

      90后小伙兒牛晨輝被星空“震撼”過。

      當時他在新疆,因為對天文儀器感興趣,主動請纓加入中國科學院國家天文臺暗能量射電探測關鍵技術實驗項目。那是由3組拋物柱面射電望遠鏡和16面碟形射電望遠鏡組成的天籟實驗陣列,始建于2014年。

      觀測站所在地海拔高,空氣干燥,銀河系的“厚盤”懸于天穹,又仿佛近在咫尺。牛晨輝拿著星圖,和同伴們一起尋找熟悉或不熟悉的星座。他告訴中青報·中青網記者:“那個地方看到的星星,真的是太美了。也是從那時候開始,我對星空的感覺不一樣了,我對天文也開始產生了興趣?!?/p>

      那次“看星星”的震撼,促使這名90后年輕人來到西南大山深處的中國天眼(FAST)繼續“追星”:2019年博士生畢業后,牛晨輝選擇加入中國科學院國家天文臺射電天文研究部,進入中國天眼首席科學家李菂研究員為學科帶頭人的星際介質演化及恒星形成團組,研究起了“快速射電暴”。

      團隊里大部分人都是牛晨輝的前輩和老師,和他年齡差不多的,有比他稍大幾歲的助理研究員王培,以及當時在讀的兩個博士生馮毅、張永坤。

      2020年1月11日,中國天眼正式開放運行,按照李菂之前演講時的形容,“中國在無線電波段擁有了世界上最先進的設備”。從天文研究的角度來說,牛晨輝、張永坤等“天眼”背后的年輕人,趕上了一個好時代。

      “中國天眼是建給下一代的,給更年輕的科學家和后來者”

      張永坤是整個團隊里年齡最小的。

      2019年,他從中國科學院大學本科畢業后直讀博士,李菂是他的導師。張永坤本科學的是物理,經常去國家天文臺聽講座。他寫畢業論文的時候,剛好趕上中國天眼即將建設完成。

      “咱們國家這么大一個望遠鏡項目,我很感興趣,想參與一下?!睆堄览ふf。

      于是他給李菂發了一封自薦的電子郵件。去國家天文臺“面試”,張永坤特地把自己的成績單都打印了出來,想給李老師看。

      李菂卻說不用,然后跟他討論畢業論文選題,給他講中國天眼可以做些什么。也是從那時起,張永坤開始接觸快速射電暴(Fast Radio Burst,簡稱FRB),“這是我們年輕人大有可為的一個領域”。

      快速射電暴是宇宙中一種神秘的爆發現象,是指在毫秒的時間內,大約太陽一年才能輻射出的能量猛烈爆發出來。2007年,首例被發現的快速射電暴公布。但這種神秘現象的起源和物理機制,至今是未知的。

      由于觀測設備更新及新技術應用,此后10余年,快速射電暴的個數,從早期的個位數增長到了目前近500例。早期被發現的快速射電暴,都只探測到一次爆發,被認為具有“不可重復性”。直到2016年,一類可以多次爆發的快速射電暴被重復探測到,固有認知才被打破。作為世界上最大的單口徑射電望遠鏡,FAST在幾年前就已經開展了快速射電暴的搜尋工作。

      前不久,李菂團隊通過FAST的“多科學目標同時巡天”優先重大項目,發現了迄今為止唯一一例持續活躍的重復快速射電暴FRB20190520B。北京時間2022年6月9日,該成果發表于國際學術期刊《自然》雜志,牛晨輝正是這篇論文的第一作者。

      “這一觀測發現,對于理解FRB的周圍環境和物理起源具有非常重要的科學意義,快速射電暴從2007年被發現以來,一直是天文學領域中最前沿的研究方向之一,特別是其物理起源、輻射機制和周圍環境,是其中三個亟待解決的關鍵科學問題?!敝袊茖W技術大學天體物理教授戴子高在該成果的發布會上說。

      中國天眼正式運行兩年多,其獲取的數據催生了超過100篇學術論文。

      1996年,國家天文臺老一輩的射電天文學家南仁東先生和邱育海先生,前往位于波多黎各島的阿雷西博望遠鏡,考察這一巨大射電望遠鏡。根據當時可預期的現代技術發展前景,結合我國在工程方面的長處和短處,中國天眼的概念,在這兩位老天文學家的心中越來越立體。

      2007年底,國家發展改革委批復500米口徑球面射電望遠鏡立項建議書。李菂曾在演講中回憶自己當年參與中國天眼建設時的經歷,和他之前見到的天文觀測學者的工作“非常不同”。

      這些“天眼”建設者們,在貴州山區里搬磚、種樹、熔接光纖……主要的工程團隊,在6年多的時間里都住板房,室內沒有熱水和衛生間。哪怕是如此艱苦,所有人仍然“保持著非常好的精神狀態”。

      “最苦的路,已經被前輩們蹚平了?!迸3枯x感慨。

      南仁東經常說的一句話是,“FAST是建給下一代的,給更年輕的科學家和后來者”。在李菂看來,中國天眼代表了中國射電天文學“從追趕到超越的一次嘗試”。

      “能夠站在巨人的肩膀上,我深感幸運?!迸3枯x說。

      從將近1000個小時的數據里,找到4次“眨眼”

      迄今為止,中國天眼發現6個快速射電暴,其中4個是牛晨輝發現的。聽到別人提起這件事,他會低頭微笑,解釋自己只是幸運,正好趕上了中國天眼開始出成果的階段。

      這份所謂的“幸運”,與辛勤和嚴謹是分不開的。

      來自宇宙的電磁波信號,被500米口徑的球面“大鍋”接收到,用數字矩陣的方式呈現到研究者面前。按照張永坤的描述,中國天眼可以同時觀測天上的19個點,運行之后,每個點位每小時收到的數據,大約有2TB。

      “我們主要的工作,就是處理FAST觀測到的數據?!睆堄览χ星鄨蟆ぶ星嗑W記者說,“FAST一年大約有5000個小時的運行時間,估算下來,一年可能有幾十個PB這種量級的數據。我們團隊的項目,一年大概有上千個小時的數據要處理?!?/p>

      大部分數據,實際上都是嘈雜的“噪聲”,來自宇宙中彌散的分子氣體、各種各樣天體發出的射電信號,還有來自地面的電磁波。而研究者們要找的快速射電暴,是疊在這些噪聲背景下,只存在幾毫秒的一個“眨眼”。

      牛晨輝從將近1000個小時的數據里,找到了4次“眨眼”。

      在系統處理中國天眼數據的過程中,牛晨輝發現,2019年5月20日的數據存在重復的高色散脈沖。在排除脈沖星和射電干擾后,研究人員確定,該脈沖來自一個新的快速射電暴,并將其命名為FRB20190520B。

      基于這一發現,李菂團隊通過與美國甚大陣列望遠鏡合作,在2020年7月完成精確定位,探測到了一顆致密的持續射電源。此后,通過美國帕洛瑪200英寸望遠鏡和凱克望遠鏡,加拿大-法國-夏威夷望遠鏡和日本斯巴魯近紅外光學望遠鏡,研究者們確定了FRB20190520B的宿主星系和紅移。在進一步結合散射特征之后,研究團隊發現,FRB20190520B并不像其他快速射電暴一樣具有窗口期,而是持續活躍。

      “該成果報告了一個新的快速射電暴,挑戰了我們對這些神秘現象宿主星系的認知。FRB20190520B是中國FAST望遠鏡首次發現的,隨后顯示,其平均每10-15分鐘重復一次?!泵绹鞲ゼ醽喆髮W教授、快速射電暴發現人鄧肯·洛里默對這一成果作出了評價。

      一起打球唱歌,一起坐在“冷板凳”上搞科研

      “總會有讓人意外的新發現,永遠不知道還有什么顛覆的現象在前面等著?!崩钋叺牧硪幻麑W生馮毅說。

      今年3月,馮毅作為第一作者的論文在國際學術期刊《科學》上發表,指出牛晨輝發現的重復快速射電暴,處于一個類似超新星遺跡的復雜環境中。

      不斷有新發現,對馮毅來說是一種美妙的體驗。他從小就對物理學著迷,在外行人眼里枯燥之極的數據篩選工作,對這個90后來說,只是一個等待的過程。

      “最早發現FRB的時候,天文學家一度以為,快速射電暴都在銀河系外,結果突然跳出來一個新發現的FRB,竟然來源于銀河系內一顆磁星。大家才知道,哦,原來銀河系里也有?!泵棵空劶坝诖?,馮毅的聲音里總有按捺不住的興奮。

      牛晨輝關于快速射電暴的最新成果在《自然》上發表后,馮毅在社交平臺上轉發祝福:一串“黃豆表情”搭配由衷地贊揚——“牛巨星時代來臨!”

      牛晨輝回復他:“還得馮天師多出點子?!?/p>

      “巨星”和“天師”,這是團隊里4名青年研究者相互開玩笑的昵稱。王培、馮毅、張永坤是“天師”,天是“天眼”的天,也是彼此對未來的期許。

      牛晨輝的“巨星”稱號,來源于中科院建院70周年的時候。院慶活動上,國家天文臺出了個節目,牛晨輝那時剛剛加入團隊,站在第二排中間的“C位”,從此成了小伙伴口中的“巨星”。

      這些年輕人在科研的間隙,一起打球唱歌。他們都是聽著周杰倫和五月天的歌長大,也都向往科學熱愛科學,愿意坐在“冷板凳”上搞基礎研究。

      牛晨輝經常聽到的一個問題是,研究天文、研究30億光年之外的快速射電暴到底有什么用?他不知道該怎么回答這些問題。

      他始終覺得自己的研究“很有意思”,探索本身,就是意義。

    (原載于《中國青年報》 2022-06-13 08版)

    打印 責任編輯:閻芳

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