作者
| 劉博洋，中國科學院國家天文臺、西澳大學國際射電天文研究中心聯合培養在讀博士前幾天有這樣一條新聞，位於中國貴州的世界最大單口徑射電望遠鏡，被譽為“中國天眼”的大鍋——五百米口徑球面射電望遠鏡（FAST），對外公佈了其建成以來的成果：已發現132顆優質的脈衝星候選體，其中有93顆已被確認為新發現的脈衝星。
看到這裡，你是不是腦子裡還很懵？脈衝星是個啥，能吃嗎？FAST望遠鏡發現新的脈衝星很牛嗎？中國投入12億元、花22年時間建了這麼一臺望遠鏡，只是找找脈衝星這麼簡單？
世界最大單口徑射電望遠鏡——FAST
（一）脈衝星雖然不能吃，但用來搞個大新聞卻是不錯的選擇
脈衝星，從字面上看，就是會發射脈衝信號的“星星”，它們其實是恆星巨人們死亡後留下的緻密遺骸，比太陽還要重，卻只有北京五環大小。脈衝星的最大特點就是會週期性地發射脈衝電波，而且轉得飛快：通常幾秒就能自轉一圈，快的甚至一秒可以自轉幾百圈。
世界上第一顆脈衝星是1967年發現的，而在時隔僅7年的1974年，諾貝爾物理學獎就頒發給了脈衝星發現者約瑟琳·貝爾（Jocelyn Bell Burnell）——的導師——安東尼·休伊什（Antony Hewish）。這在諾貝爾獎“中獎”的緩衝時間中，算是快的了。
脈衝星家族裡轉的尤其快的一族，被叫做毫秒脈衝星，顧名思義，它們的週期是以毫秒來計算的。如果有一顆脈衝星剛好位於雙星系統中，我們還可以通過觀測其脈衝頻率的變化，推測出它在軌道上與同伴彼此繞轉的情況。
兩顆緻密星彼此繞轉時，會強烈攪動周圍的時空，以引力波的形式向外發射能量，同時逐漸消耗雙星系統的勢能、使得彼此越來越接近，只要確定雙緻密星系統軌道週期的變化過程，就可以間接地驗證引力波，從而檢驗廣義相對論。
1974年，兩位天文學家羅素·赫爾斯（Russell Alan Hulse）和小約瑟夫·泰勒（Joseph Hooton Taylor, Jr.）憑藉使用阿雷西博望遠鏡發現的一顆位於雙緻密星系統中的脈衝星，該發現間接驗證引力波，兩位天文學家因此獲得1994年諾貝爾獎。
赫爾斯-泰勒脈衝星軌道週期累計變化量。圖片來源：J. M. Weisberg and J. H. T
現在，美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）已經直接探測到引力波的存在，併為三位相關科學家贏得了2017年的諾貝爾物理學獎，但脈衝星觀測仍然有機會再次在引力波探測領域一展身手，因為它能探測到比LIGO頻率更低的引力波信號。
如果我們能完全掌握脈衝星週期的變化規律，脈衝星在未來幾百年還將有一個重要的應用場景：
當人類的星艦駛向太陽系之外，脈衝星就成了茫茫星海中名副其實的燈塔。通過對脈衝星週期的監測，星艦可以隨時掌握自身的運動速度，進而推算在宇宙中航行的座標，這就是所謂“脈衝星導航”。
脈衝星導航藝術想象圖。圖片來源：德國馬普地外物理研究所。圖中星艦為電視劇“星際迷航”中的企業號
（二）中國“大鍋”FAST，找脈衝星的一把好手
“脈衝星機器”——這是一位脈衝星研究者私下裡對FAST望遠鏡的稱呼，與此前獨霸世界最大口徑射電望遠鏡寶座50多年的美國阿雷西博望遠鏡相比，中國的FAST望遠鏡找脈衝星的本領，被天文學家們寄以厚望，許多創新使其更靈敏。
1、主動面技術讓FAST可以移動主鏡面實現天體跟蹤
FAST望遠鏡與美國阿雷西博望遠鏡，是世界上唯二利用喀斯特地貌中的天然盆地修建的超大口徑射電望遠鏡。
阿雷西博望遠鏡的口徑是305米，作為一個固定在盆地中的望遠鏡，它的主鏡面是完全固定的球面，要想實現自由四顧、接收不同方向的電磁波，只能通過移動副鏡與饋源的方式實現，成像是不完美的。而為了對像差進行改正，它的饋源艙本身需要對信號做二次、三次反射，複雜的光路讓它不得不變得非常笨重：它重達500多噸。
阿雷西博望遠鏡的饋源艙，和用來控制其移動指向的懸架系統。圖片來源：David Broad
而FAST的主鏡面採用了主動面技術，每一塊麵板都可以在促動器的驅動下上下運動，把鏡面從初始的球面形靈活地變成拋物面型，通過主鏡的主動變形來實現對天體的跟蹤，同時實現對像差的改正。
所以FAST望遠鏡的饋源艙外觀非常簡潔，沒有複雜的懸架結構，只要用6根柔性索吊著就可以。
FAST望遠鏡的饋源艙。圖片來源：新華社
FAST望遠鏡的面板促動器。圖片來源：China Daily
2、在500米球面上把位置精度控制在毫米級，這挑戰不是蓋的
飯要一口一口吃，望遠鏡要一步一步調。
FAST望遠鏡在工作時，2225個促動器和6根饋源艙柔性索需要精確、協調地同時運動，要克服天氣等因素對定位測量帶來的干擾，在500米的巨大尺度上把位置精度控制在毫米數量級，挑戰是巨大的。
所以要想實現主動面跟蹤，FAST望遠鏡至少要實現三個“小目標”：
第一步，能讓鏡面變形到一個特定的形狀；
第二步，能讓鏡面連續變形到指定的形狀；
第三步；能讓鏡面長時間、連續變形到指定的形狀。
現在經過初光一年以來的調試，FAST望遠鏡已經完成了第二步，並有望在明年實現第三步，從而達到設計能力，完成其兩到三年調試期的目標，通過國家驗收、正式進入正常運行狀態。
FAST在一年的時間內便完成到第二步，還能在技術調試的空隙中擠點時間發現幾顆脈衝星，FAST工程和科學團隊可以說是棒棒的，給了我們一個小驚喜。
（三）除了找脈衝星，FAST還能搞許多大事情
FAST的主要科學目標除了脈衝星科學，還有其他幾項：研究銀河系中瀰漫的氫原子氣體的分佈；研究星際分子以及羥基（OH）發射的星際“激光”（脈澤）；找到更多未知的星系。
以往在其他望遠鏡進行這些研究時，會根據不同研究的需求，設計不同的觀測方案。但FAST團隊的雄心是在較短時間內，對FAST可觀測區域的整個北天球部分進行完整的巡測，並同時兼顧上述四個科學目標，實現高效的科學產出。
巡天範圍：天球赤道座標系緯度（赤緯）-1到52度。圖片來源：中科院國家天文臺
對這樣雄心勃勃的大型巡天來說，FAST在明後年即將具備的實時跟蹤能力反而顯得有點多餘：我們不是隻想看天上哪一塊，何必非要跟蹤、來回切換目標的折騰，純屬浪費時間。
我們只要把望遠鏡對著一個方向，讓地球自轉帶著天體一個個掃過望遠鏡注視的方向，就可以坐等望遠鏡完成（在天球上指定緯度範圍內的）全天巡測——這個方案最高效、可靠。
完成上述天區的掃描，共需要220個觀測日。考慮到同時進行的技術調試所需佔用的時間，這項巡天計劃需要1到2年的時間來完成。
你見過星軌照片吧，就“坐觀其成”而言，差不多是一個意思。
星軌。圖片來源：Yuri Beletsky Nightscapes
這樣的巡天方式，叫做“掃描巡天”。FAST的掃描巡天計劃，被命名為“FAST多科學目標同時掃描巡天”，英文簡稱CRAFTS，Craftsman是“匠人”的意思，CRAFTS巡天，是FAST人的匠心之作。
FAST在開展CRAFTS的掃描巡天觀測時，每個天體經過望遠鏡的有效積分時間只有短短數秒，但研究者們預期，在CRAFTS巡天中，FAST仍能憑藉其超強的靈敏度，在已經被英美等國射電望遠鏡犁了幾十年的北天球，發現數百顆新脈衝星。
結語
第一顆脈衝星發現已經五十多年了，全球累計發現的脈衝星在3000顆左右，如今，中國人造的落成啟用3年的FAST望遠鏡憑藉其超高的靈敏度已經發現並確認了93顆脈衝星，我們可以期待，在“脈衝星發現60年”的圖表上，將出現一個巨大的新色塊，它屬於FAST，屬於已經駕鶴西歸的FAST望遠鏡之父——南仁東老師，屬於所有繼續奮戰著的FAST人，屬於中國，屬於世界。
閱讀更多 樂哈嘍兒 的文章
