晨曦中的“中國天眼”全景。
新華社記者 歐東衢攝
近日，有“中國天眼”之稱的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）又有新發現。中國科學家日前利用“中國天眼”對致密星系群“斯蒂芬五重星系”及周圍天區的氫原子氣體進行成像觀測，發現了1個尺度大約為200萬光年的巨大原子氣體結構，尺度比銀河系大20倍。這是迄今為止在宇宙中探測到的最大的原子氣體結構。
(資料圖片)
年觀測時長超5300小時、發現660余顆新脈沖星……自2016年9月落成啟用以來，“中國天眼”——這一全球最大、最靈敏的射電望遠鏡幫助科學家在天文學領域取得了一系列研究成果，拓展了人類觀察宇宙的視野，成為中國科技自立自強代表性工程。
為研究天體起源打開新窗口
近年來，“中國天眼”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持續產出成果。近期宇宙中最大原子氣體結構的新發現，由中國科學院國家天文臺研究員徐聰領導的國際團隊完成，相關成果已與10月19日在學術期刊《自然》在線發表。
觀測宇宙中的氣體是天體物理領域一個非常重要的研究課題，而宇宙中所有天體的起源都離不開原子氣體。據介紹，星系的主要演化過程就是不斷從宇宙空間吸收原子氣體，然后將其轉化為恒星的過程。
“斯蒂芬五重星系”是一個距離地球約2.8億光年的星系群，其中多個成員星系之間相互碰撞產生沖擊波，發出明亮的光芒。自1877年被發現以來，這一首個被人類發現的星系群一直備受天文學領域關注。今年7月，美國韋布空間望遠鏡拍攝下了該星系群唯美的全彩圖像。
徐聰介紹，最新發現表明，在遠離該星系群中心的外圍空間，存在大尺度的低密度原子氣體結構。這些氣體結構的形成很可能與“斯蒂芬五重星系”早期形成時，星系間相互作用的歷史有關，已經存在了大約10億年。
“這項發現對研究星系及其氣體在宇宙中的演化提出了挑戰。現有理論很難解釋為什么在如此漫長的時間里，這些稀薄的原子氣體仍沒有被宇宙空間中的紫外背景輻射電離。”徐聰說，這項觀測成果預示著，宇宙中可能存在大尺度的低密度原子氣體結構。
科學家團隊的新發現，得益于“中國天眼”超高靈敏度帶來的前所未有的極端暗弱天體探測能力。據介紹，“中國天眼”能夠探測到遠離星系中心的極其稀薄的彌散原子氣體所發出的暗弱輻射，這為研究宇宙中天體的起源打開了一個嶄新的窗口。
快速射電暴領域崛起中國力量
在“中國天眼”產生的諸多科學成果中，快速射電暴是最新也是最熱的領域之一。
在廣袤的宇宙中，經常出現短暫而猛烈的無線電波爆發，持續時間通常僅有幾毫秒，卻能夠釋放出相當于地球上幾百億年發電量的巨大能量。2007年，天文學家首次發現了這樣的毫秒電波——快速射電暴。迄今為止，天文學家已經觀測到了幾百例快速射電暴，并通過周邊環境的復雜程度推測其所處的演化階段。
過去，由于沒有自己的大射電望遠鏡，在快速射電暴這一研究領域中，中國科學家大多只能從事理論研究。隨著“中國天眼”正式運行，快速射電暴領域的中國力量迅速崛起，研究成果不斷產出。
目前，科學家對快速射電暴的物理起源、周圍環境、中心機制等尚不明晰，也缺乏對其核心區物理參數的直接觀測資料。日前，中國科學家利用“中國天眼”對一例位于銀河系外的快速射電暴開展了深度觀測，首次探測到距離快速射電暴中心僅1個天文單位（即太陽到地球的距離）的周邊環境的磁場變化，向著揭示快速射電暴中心引擎機制邁出重要一步。
此項研究中，研究團隊對位于銀河系外的快速射電暴FRB 20201124A進行了長期監測，在54天共計82小時時間內，觀測到了1863個爆發脈沖信號，基于這一迄今為止最大的快速射電暴偏振觀測樣本取得了若干重要發現。團隊正在進一步研究，期待找到決定快速射電暴核心物理過程和能源機制的直接觀測證據，早日揭示這一神秘宇宙現象的物理起源。
觀測快速射電暴，“中國天眼”很有優勢。要獲得更多、更詳盡的天文學數據，離不開更大接收面積的望遠鏡，具備更強的暗弱信號探測能力，這樣才能看得更多、看得更遠，擴大觀測樣本數量，提高發現奇特天文學現象的幾率。
“中國天眼”口徑達500米，作為世界上最靈敏的射電望遠鏡，“中國天眼”聚光面積巨大，電波收集能力超強，具有精密控制的變形能力，能夠聚焦和穩定跟蹤天體。專家表示，理論上說，“中國天眼”能接收到137億光年以外的電磁信號，這個距離已接近于宇宙的邊緣。
與國際科學界攜手探索宇宙
“中國天眼”作為國家重大科技基礎設施，是觀天巨目、國之重器，實現了中國在前沿科學領域的一項重大原創突破。啟用6年多來，“中國天眼”已在多個研究方向產出科學成果，深化著人類對宇宙的認知。截至今年7月底，科學家通過“中國天眼”發現的脈沖星已經超過660顆，這個數量是同一時期、國際上所有射電望遠鏡發現脈沖星總數的5倍以上。
“中國天眼”運行和發展中心常務副主任、總工程師姜鵬表示，目前“中國天眼”已經進入成果爆發期，觀測設備的穩定運行對此作出了巨大貢獻。
“中國天眼”不僅可以用于科學研究，還可以用于實際應用。據專家介紹，2019年，有一個小行星在地月1/6的距離與地球擦肩而過，但人類并沒有觀測到。由于這個小行星來自太陽的方向，強烈的太陽光讓科學家無法清晰地用光學望遠鏡觀測到小行星。如果用“中國天眼”的射電波段進行觀測，就有可能更早地探測到“飛來”的小行星。因此，“中國天眼”有望成為近地天體防御的重要戰略支撐。
去年3月31日，“中國天眼”正式向全球開放共享，向全球天文學家征集觀測申請，并于2021年8月啟動科學觀測。在“中國天眼”的幫助下，中國科學家與國際科學界攜手探索浩瀚宇宙，共創人類美好未來。
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