2022年首篇Nature封面论文,由中国团队打造!

磁场在星际介质的演化和恒星形成中具有重要作用。作为星际场强的唯一直接探测器,由于缺乏合适的塞曼探测器,特别是对于冷分子气体,可靠的塞曼测量仍然很少。

2022年1月5日,中国科学院国家天文台李菂团队在 Nature 在线发表题为“An early transition to magnetic supercriticality in star formation”的研究论文,该研究通过FAST平台,采用原创的中性氢窄线自吸收方法,首次获得原恒星核包层中的高置信度的塞曼效应测量结果。研究发现,星际介质具有连贯性的磁场结构,异于标准模型预测,为解决恒星形成三大经典问题之一的“磁通量问题”提供了重要的观测证据。该文章被选为封面文章,同时该文章也是2022年中国学者在Nature 发表的第一篇文章。

另外,2021年10月13日,中国科学院国家天文台李菂及内华达大学张冰共同通讯在 Nature 在线发表题为“A bimodal burst energy distribution of a repeating fast radio burst source”的研究论文,该研究报告了在 47 天的 59.5 小时内检测到 1,652 次独立爆发,峰值爆发率为 122 h−1。发现各向同性等效能量分布的峰值在 1.25 GHz 处约为 4.8 ×1037erg,低于该峰值时,脉冲串的检测被抑制。爆发能量分布是双峰的,并且由对数正态函数和广义柯西函数的组合很好地表征。一小时跨度内的大量突发允许在 1 毫秒和 1,000 秒之间进行敏感的周期性搜索。未检测到任何周期性或准周期性对涉及单个旋转紧凑物体的模型提出了挑战。高爆发率还意味着必须以高辐射效率生成 FRB,不利于具有大能量需求或人为触发条件的发射机制。

2020年11月4日,中国科学院国家天文台李柯伽,李菂及内华达大学张冰共同通讯(北京师范大学为第一单位,林琳为第一作者)在 Nature 在线发表题为“No pulsed radio emission during a bursting phase of a Galactic magnetar”的研究论文,该研究报告了一个为期八小时的有针对性的无线电观测活动,包括4个Sessions,并辅以多波长(光学和硬X射线)数据。在第3个Session,在γ射线能量中检测到29个软γ射线中继器(SGR)暴发。在整个观测期间,没有检测到与SGR暴发的到来相符的单个分散脉冲发射。结果表明FRB-SGR暴发关联很少。FRB可能在几何上是成束的,或者与SGR暴发关联的类FRB事件可能具有较窄的频谱和所观察频带之外的特征频率。在SGR暴发中实现相干辐射所需的物理条件也可能难以满足,并且只有在极端条件下,FRB才能与SGR暴发关联。

2020年10月28日,中国科学院国家天文台/北京大学李柯伽,内华达大学张冰及中国科学院国家天文台韩金林共同通讯在 Nature 在线发表题为“Diverse polarization angle swings from a repeating fast radio burst source”的研究论文,该研究报告了来自快速无线电突发(FRB) 180301的15次猝发的观测结果,并发现其中7次发生了各种偏振角摆动。这些脉冲的极化角特征的多样性与无线电发射的磁层起源一致,不利于引起相对论性冲击的辐射模型。

022年首篇Nature封面论文,由中国团队打造!"

发现约500颗脉冲星,成为自其运行以来世界上发现脉冲星效率最高的设备;获得迄今最大的快速射电暴爆发事件样本,超过此前本领域所有文章发表的射电暴爆发事件总量……正式验收近两年,“中国天眼”取得一批重要科研成果,亮出一份不俗的成绩单。未来,“中国天眼”的科学潜力还将进一步显现。

022年首篇Nature封面论文,由中国团队打造!"
图为FAST夜空中快速射电暴的闪烁示意图(视频截图)。中国科学院国家天文台供图

被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜(FAST)正式验收至今已近两年。“中国天眼”运行效率和质量不断提高,年观测时长超过5300小时,已远超国际同行预期的工作效率,为其科学产出起到重要支撑作用。1月5日,中国科学院发布消息,2021年,科学家依托“中国天眼”又取得了一批重要科研成果。

为解决恒星形成三大经典问题之一提供重要观测证据

中性氢是宇宙中丰度最高的元素,广泛存在于宇宙的不同时期,是不同尺度物质分布的最佳示踪物之一。

国家天文台庆道冲、李菂领导的国际合作团队采用原创的中性氢窄线自吸收方法,利用“中国天眼”首次获得原恒星核包层中的高置信度的塞曼效应测量结果,为解决恒星形成三大经典问题之一的“磁通量问题”提供了重要的观测证据。

该成果论文于北京时间1月6日在国际学术期刊《自然》杂志以封面文章形式发表。

022年首篇Nature封面论文,由中国团队打造!"
《自然》杂志封面

“‘中国天眼’探测到的磁场强度只有地球磁场的十万分之一,比恒星形成标准模型预测的磁场强度弱至少3—4倍。”“中国天眼”运行和发展中心首席科学家、论文作者李菂说,“这个结果揭示分子云在致密云核阶段即可超前达成磁超临界状态,可能存在比标准模型更有效的磁场耗散机制使得恒星形成提前发生。此成果也有望将中性氢窄线自吸收方法拓展成为星际磁场测量的重要系统性探针。

在揭示快速射电暴基础物理机制方面取得重大进展

快速射电暴(FRB)是宇宙中最明亮的射电爆发现象,爆发时间仅持续几毫秒,最初于2007年被发现,疑似为来自河外星系的脉冲信号。发现之初,学界对于其真实性还有所怀疑,直到2013年更多此类现象被发现,才逐步得到认可和广泛的关注,并被正式定名为快速射电暴。因起源与物理机制完全未知,成为当今天体物理领域最大热点之一。

目前,已有数百例快速射电暴被探测到,其中仅少数呈现出重复爆发现象。FRB121102是人类所知的第一个重复暴,在2017年成为首个被精确定位、能够确认其宿主星系的快速射电暴。

国家天文台李菂、王培、朱炜玮领导的国际合作团队利用“中国天眼”对FRB121102进行观测,在约50天内探测到1652次爆发事件,获得迄今最大的快速射电暴爆发事件样本,超过此前本领域所有文章发表的射电暴爆发事件总量。

科研人员分析样本后,首次揭示了快速射电暴爆发率的完整能谱,发现了双峰结构,排除了此快速射电暴爆发的周期性或准周期性,严格限制了重复FRB来自单一致密天体的可能。这是揭示快速射电暴基础物理机制的重大进展。该成果论文于2021年10月14日在国际学术期刊《自然》杂志发表。

此外,“中国天眼”多科学目标巡天已经发现至少6例新快速射电暴,正为揭示这一现象的机制、推进这一领域发展做出独特贡献。

持续发现毫秒脉冲星,开展多波段合作观测

脉冲星能够发射出高度周期性的脉冲,周期在1.4毫秒到23秒之间。被称为“毫秒脉冲星”的短周期脉冲星,可以与地球上最好的原子钟相媲美。因此,发现脉冲星是国际大型射电望远镜观测的主要科学目标之一。截至目前,“中国天眼”共发现约500颗脉冲星,成为自其运行以来世界上发现脉冲星效率最高的设备。

“中国天眼”配备19波束L波段接收机,是目前世界上最强大的脉冲星搜寻利器。国家天文台韩金林领导的“中国天眼”重大优先项目“银道面脉冲星快照巡天”在不到两年时间,累计观测了约620个机时,完成了计划搜寻天区的8%。截至目前,仅该项目就新发现279颗脉冲星,其中65个为毫秒脉冲星,在双星系统中的有22颗。该工作执行1年半,所发现的脉冲星数已经超越美国阿雷西博望远镜15年的搜寻结果。相关论文于2021年5月在国内学术期刊《天文和天体物理学研究》发表。

基于“中国天眼”灵敏度国际领先的优势,将“中国天眼”与重要空间天文设施费米伽马射线天文台大视场望远镜相结合,进行天地一体化协同和后随观测,具有产生重大科学突破的潜力。国家天文台李菂、王培领导的国际合作团队发现了多颗脉冲星,并开展了多波段观测分析。相关成果于2021年12月在国内学术期刊《中国科学》上以封面及编辑点评文章形式发表。

李菂说:“多波段合作观测不仅开启了‘中国天眼’脉冲星搜索新方向,而且打开了研究脉冲星电磁辐射机制的新途径,为研究中子星星族演化和探测引力波提供更多样本。”

未来考虑1%观测时间向中小学生开放

科技创新离不开国际合作和开放共享。“中国天眼”在建设之初,即确立了按国

际惯例逐步开放的原则。2021年3月31日0时,“中国天眼”正式向全球开放共享,向全球天文学家征集观测申请。

中国科学院副院长周琪说:“一年来,中国科学院全力做好‘中国天眼’开放运行和科学研究工作。第一时间成立了‘中国天眼’科学委员会、时间分配委员会和用户委员会,统筹规划科学方向、遴选重大项目、制定数据开放政策等,充分发挥‘中国天眼’科学效能,促进重大科学成果产出。”

据“中国天眼”运行和发展中心常务副主任、总工程师姜鹏介绍,此次征集共收到来自不同国家共7216小时的观测申请,最终14个国家(不含中国)的27份国际项目获得批准,并于2021年8月启动科学观测。

随着性能的提升,“中国天眼”的科学潜力还将进一步显现,成果还将不断涌现。中国科学院院士、国家天文台研究员武向平说:“未来,FAST还将搜寻发现更多的脉冲星,希望能看到更遥远的银河系外的脉冲星。同时继续巡视宇宙中的中性氢,帮助科学家研究宇宙大尺度物理学,以探索宇宙起源和演化等。”

武向平还透露,“中国天眼”正在考虑拿出1%的观测时间对全国的中小学生开放。“中小学生可以提出好的科学想法,由专业天文学家帮助他们来实现。”

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