520，中國科學家用新發現的 212 顆脈衝星向祖國表白！
“這項工作是中國脈衝星研究的里程碑，不僅僅是發現這麼大批次的脈衝星，而是因為我們在世界上率先進入微 Jy 高靈敏度脈衝星搜尋區。” 被自己的新聞刷屏了一天的中國國家天文臺研究員韓金林，談起團隊剛發表的成果，依然十分激動。
同事告訴他 “今天圈裡被您刷屏了”，他卻答道：“這個是祖國的希望，最高領導的囑託！”
他表示：
“脈衝星的發現和研究，是國際上大射電望遠鏡關鍵科學目標之一，是在科學前沿‘逐鹿中原’的必爭之地。”
圖 | 韓金林團隊（來源：受訪者）
韓金林團隊使用 FAST 望遠鏡開展了銀道面脈衝星巡天，最新發現了 212 顆脈衝星，這些脈衝星中包含 42 顆毫秒脈衝星、16 顆脈衝雙星、一批最闇弱的脈衝星、一批模式變化和消零脈衝星、可挑戰當代銀河系電子分佈模型的大色散量脈衝星、以及射電暫現源等。
圖 | 透過 FAST 的 19 束接收機三次切換形成 4x19 波束的天空快照，完整覆蓋 0。1575 平方度的天空面積（來源：受訪者）
北京時間 5 月 20 日，相關論文以《FAST 銀河系飛機脈衝星快照調查：
專案設計和脈衝星發現》（The FAST Galactic Plane Pulsar Snapshot survey：
I。 Project design and pulsar discoveries）為題發表在《天文和天體物理學研究》上，並作為當期封面文章。
圖 | 《天文和天體物理學研究》當期封面文章
據瞭解，該期刊由中國科學院國家天文臺和中國天文學會主辦，是目前中國天文領域唯一的 SCI 期刊。
圖 | 相關論文（來源：《天文和天體物理學研究》）
又迷人、又奇異的脈衝星
脈衝星（Pulsar）是宇宙中磁場最強、自轉最快、密度最高、相對論效應較為顯著的天體，其特質迷人且奇異，被認為是研究宇宙極端環境中物理規律的理想實驗室
。
脈衝星的主要特徵是會發射週期性的脈衝，其週期一般在 1。4 毫秒 - 23 秒之間。針對 10 年以上的脈衝星測時觀測表明，脈衝星週期具有長期穩定性，而一類短週期脈衝星的週期，能跟地球上最好的原子鐘相媲美，又被稱為 “毫秒脈衝星”。
圖 | 新發現的脈衝星在銀河系中的位置（來源：受訪者）
1967 年 10 月，劍橋大學卡文迪許實驗室發現了一些有規律的脈衝訊號，它們的週期十分穩定，為 1。337 秒。起初該實驗室還以為是外星人發來的訊號，但之後被確認為一類新的天體。這就是脈衝星的發現和確認，並被認為是 20 世紀 60 年代天文的四大發現之一。
後來天文學家發現了雙星，透過監測對引力波輻射做出了首次物理驗證。由於意義重大，與脈衝星相關的研究獲得了兩次諾貝爾物理學獎。從 1967 年至今的 54 年間，天文學家總共發現大約 3000 顆脈衝星，其中大約有 400 多顆是毫秒脈衝星。
來自中國的 FAST 是 500 米口徑球面射電望遠鏡的簡稱，別稱 “中國天眼”，是當前全球靈敏度最高的射電望遠鏡，其配備的 19 波束 L 波段接收機，使其成為目前世界最強的脈衝星搜尋利器。它肩負的關鍵科學目標之一正是發現並研究脈衝星，其中還涉及
精確驗證廣義相對論、限制極端物理條件下的物態方程、高精度時空基準建立、引力波探測等重要問題。
本次韓金林團隊提出使用 FAST 進行脈衝星快照巡天（the Galactic Plane Pulsar Snapshot survey，GPPS），對銀道面區域輪流進行 5 分鐘的闇弱訊號積分，使銀河系大面積脈衝星系統性搜尋得以進入 μJy 量級的靈敏區域。
相比此前最靈敏的美國 Arecibo 望遠鏡 PALFA 巡天，此次 FAST 發現了 212 顆新脈衝星來看，其靈敏度高出美國的大約一個數量級，即新一批被發現的最闇弱脈衝星流量僅為 5μJy 左右。
具體而言，新發現的脈衝星主要包含這幾類：
第一類，是在業內被稱為正常脈衝星的星星，此次佔比也最大；
第二類，有 42 個是週期特別短並且轉動高度穩定的毫秒脈衝星，佔總數的 20%；
第三類，有 16 個脈衝星有非常親密的伴侶，是密近雙星；
第四類，還有一部分經常停止輻射的脈衝星，甚至僅僅偶然輻射脈衝的脈衝星；
第五類，還有幾個超長週期的脈衝星，週期達到 5 秒以上。
韓金林說，特別有意思的是幾個脈衝星居然顯得特別遠，好像是銀河系之外的。
此次新發現的脈衝星，給當代通用銀河系電子分佈模型帶來了挑戰。具體而言，FAST 的探測結果表明，部分特殊脈衝星的色散量，遠超當下最好的銀河系電子分佈模型（NE2001 和 YMW16）的估計。
如果利用模型來估算脈衝星的距離，就會發現脈衝星大機率均位於銀河之外。可能的原因是銀河系在相關方向存在旋臂（Spiral Arms），其中含有大量電子氣體雲團，因此在銀河系模型中的雲團數目、或者是雲團中的電子密度可能被嚴重低估。對此，韓金林表示：“這些脈衝星可能對我們理解銀河系的電子分佈有重要的意義。”
圖 | 這些脈衝星（五角星）的電波色散 DM （色散量）表現出異常。它們位於銀河系本地旋臂和人馬座旋臂方向。那裡大量電離氣體的團塊顯然貢獻了顯著的電波色散 DM 值（來源：受訪者）
如下圖所示，其展示的是新發現脈衝星的色散量、和兩種銀河系電子密度模型估計的最大色散量值的比較，上面顯示所有脈衝星的色散量，均超出銀河系電子密度模型 NE2001 在此方向的最大值，而 6 顆脈衝星則超出銀河系電子密度模型 YMW16 給出的最大值。
圖 | 新發現脈衝星的色散量、與兩種銀河系電子密度模型估計的最大色散量值的比較（來源：受訪者）
在 GPPS 巡天早期結果中，42 顆毫秒脈衝星也被發現，而且
至少有 14 顆毫秒脈衝星位於緊密近雙星系統中
。這一成果可用於探測遙遠星系的低頻引力波、以及建立脈衝星時間和空間基準，此外其中一些脈衝星還可作為檢驗引力理論的 “絕佳利器”。
另外，大約 12 顆模式變換或消零脈衝星、1 顆旋轉射電暫現源（RRAT）以及與超新星遺蹟成協的脈衝星，也是本次 GPPS 巡天的探索成果。這些特殊的脈衝星對於研究脈衝星輻射物理機制，將起到重要意義。
隨後，GPPS 巡天團隊記錄並分析了偏振資料，並公開了 8 顆脈衝星的偏振引數和法拉第旋率，並使用這些高畫質靈敏的資料對 64 顆已知脈衝星的物理引數做了改進。
為何能有這樣大規模的集中發現？
談及為何能有這樣大規模的集中發現？韓金林告訴 DeepTech ：“首先是有 FAST 這個高靈敏度的望遠鏡，得到執行團隊支援，使得望遠鏡好用；其次我們團隊採取 5 分鐘凝視和快速切換的方式觀測，增加了靈敏度和望遠鏡的使用效率。團隊成員緊密合作，每個步驟都做到位，不然很難有這麼大批次的發現；再就是，當這些發現和驗證需要大量望遠鏡觀測機時，感謝 FAST 科學委員會批准讓我們用。”
談及此次成果的意義，他表示：“這次大批次釋出的脈衝星，種類非常齊全。對這些脈衝星進行長期監測，可能對天體輻射、引力理論檢驗等學科前沿有重要推進作用。長期以來，一直都是西方國家對科學前沿研究做非常大的主導性的貢獻，這次我們中國天文學家終於做了比較好的貢獻。希望經過一段時間的努力，我們爭取成為全世界脈衝星的研究中心。”
回顧過往，該團隊一步一個腳印地堅持著自己的科研：2019 年 3 月，該團隊剛剛完成初期觀測模式試驗，就忙著搭建資料處理平臺。一群年輕人 “五一”、暑假甚至國慶節都一直忙碌著，經過初步處理，結果發現了一批脈衝星。當年年底 FAST 科學委員會將其選定為重大優先觀測專案之一。
圖 | FAST-GPPS 巡天要在 5 年內完成藍線概述的銀河盤 ±10◦的天空區域（來源：受訪者）
2020 年初，GPPS 巡天專案的觀測正式開啟，直到 2021 年 3 月，GPPS 累計觀測約 126 平方度銀道面區域，儘管只佔不到 5% 的巡天專案總體規劃，所取得的成果已經頗為豐碩，發現一大批脈衝星。
美國康奈爾大學 （Cornell）的吉
姆·柯迪斯（Jim Cordes）教授表示：“毫無疑問，後續對這些毫秒脈衝星的測時觀測可以用來探測來自遙遠星系的低頻引力波，還可用於建立脈衝星時間和空間基準，其中一些脈衝星將會成為檢驗引力理論的絕佳利器，因此這些發現是對該領域的一個顯著貢獻。”
澳大利亞 CSIRO 天文和空間科學研究員、澳大利亞科學院院士 R。 N。 （Dick） Manchester 教授（R。N。（Dick）曼徹斯特）是本次論文的特約審稿人之一，他在《天文和天體物理學研究》專欄發表評論稱：
“作為一個巡天專案早期階段，這數目令人印象非常深刻。
論文揭示了 FAST 在脈衝星天文學特別是脈衝星搜尋方面的大好前景。
”