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脉冲星的观测与研究
  文章来源: 发布时间:2004-10-10 【字号: 小  中  大   

中国科学院乌鲁木齐天文站的25米口径射电望远镜,原是作为甚长基线射电干涉网(very kong basekine interferometer,缩写为VLBI)的一个观测单元建设的,但在进行VLBI观测之余,还有许多可利用的时间。为了充分利用国家的投资,发挥小望远镜的优势,乌鲁木齐天文站出奇兵、做精品,积极组织开展了有特色的单天线观测研究工作,取得了可喜的结果。其中脉冲星观测研究课题在国际交流合作的基础上,用小望远镜作了一项重要的学科开拓,使我国在脉冲星实测研究领域向国际前沿的拼搏中实现了跨越式的进步。

自1932年美国央斯基揭开射电天文的历史之后,射电望远镜得到了迅速发展。20世纪60年代末至70年代初,又出现了有极高分辨率的甚长基线干涉仪这种射电望远镜。1993年12月,继上海佘山VLBI站之后,我国以一个VLBI单元设计的口径为25米的射电望远镜天线系统在乌鲁木齐通过验收,投入VLBI国际联测,实现了建设中国VLBI网二期工程的主要目标之一。

在进行VLBI观测之余,25米射电望远镜尚有许多可观测的时间。怎样充分发挥出这台投资巨大的望远镜的效益,成了当时乌鲁木齐天文站科研人员反复思考和探索的一个重要问题。

扬长避短 出奇制胜

1994年7月,在举世瞩目的苏梅克-列维彗星撞击木星时,乌鲁木齐25米射电望远镜在13 cm波段上第一次进行了单天线观测,取得了观测资料,收到了很好的效果,它表明利用25米射电望远镜开展单天线的国际前沿工作将是有前途的。

脉冲星在当代天文学前沿研究中,可谓“浑身是宝”。脉冲星的观测成果在迄今获诺贝尔物理学奖的七项天体物理学的成就中占了两项,它高稳定度的“周期脉冲”发射不仅提供了一种天然的时间计量工具,而且还可以成为探测星际电子密度、星际磁场和引力波(包括“原初宇宙引力波”)的有效探针。我国科学研究要实现有所为和有所不为,脉冲星研究应属于有所为之列。

脉冲星研究的发展中,核心问题是观测能力和方法的提高,寻获更多更暗的脉冲星样本是最迫切的课题。国际上有几台大型射电望远镜在不同程度上进行着脉冲星巡天。但是由于任务饱和,国际上大型射电望远镜不能容出太多的观测时间给脉冲星。

乌鲁木齐25米射电望远镜由于是一个VLBI系统,它的口径在国内虽然是并列第一,在国际上相对而言却是较小的,但是,小有小的长处。25米射电望远镜不仅能够提供脉冲星脉冲到达时间所需频繁的天线观测时间,同时也已经具备了到达时间观测所需要的另一套昂贵设备--氢原子钟和GPS(全球卫星定位)系统。为进行VLBI观测而配备的多波段接收机也为决定最佳观测频率提供了选择余地。

国际上大型射电望远镜每一次成功的巡天都发现了许多特殊的、新类型的脉冲星。巡天的后续工作是对发现的脉冲星进行复测,然后根据研究课题,对其中的选定目标进行监测。如果参与到巡天的“接力”--新脉冲星的监测工作之中,发现的都将是第一手的资料,都将成为理论研究和进一步的观测研究相结合的开端。这些工作对25米射电望远镜进行单天线观测研究来讲,正是进行创新和出奇制胜的突破口。乌鲁木齐天文站科研人员把参与国际前沿拼搏的起点就选在了这一点上。

奋力拼搏 争做精品

要在国际前沿拼搏,出发点必须是高起点。1996年1月,乌鲁木齐天文站与北京大学吴鑫基教授、北京天文台高级工程师康连生合作,利用一套简易设备,在25米射电望远镜的92cm波段上,成功地观测并获得了4颗脉冲星的高精度观测资料,测得了辐射流量、脉冲星宽度等脉冲性参数。观测的成功是极大的鼓舞,证明利用25米射电望远镜开展单天线脉冲星观测工作是完全可行的。

科学是没有捷径可走的,但我们可以站在巨人的肩膀上攀登。在吴鑫基教授和张晋研究员的努力下,一个三国五方的国际合作课题逐渐清晰起来。在香港大学郑广生教授的资助下,英国的Jodrekk Bank天文台为乌鲁木齐天文站研制了消色散系统的多通道滤波器和数字化器。1997年10月乌站派往澳大利亚学习脉冲星到达时间观测技术的访问学者王娜回到乌鲁木齐,国际脉冲星权威科学家、澳大利亚国家天文台(ATNF)首席科学家Manchester教授访问乌鲁木齐天文站,制定了到达时间系统课题方案。最终由乌鲁木齐站长张晋研究员、北京大学吴鑫基教授、香港大学郑广生教授、澳大利亚ATNF的Manchester教授、英国Jodrekk Bank天文台Lyne教授签署了“三国五方”国际合作协议,合作引进澳大利亚Parkes的脉冲星接收技术。根据该协议,乌鲁木齐天文站在配备了双极化制冷接收机、消色散接收机和计算机数据采集、处理系统之后,最终将在18cm波段上建立一套高灵敏度的脉冲星观测系统。

在制冷接收机研制的两年时间里,天文站的科研人员没有等待,他们注意到星表中很多脉冲星的参数已经30多年没有更新,于是选择了用现有常温接收机就可以观测到的74颗强脉冲星观测,并进行了脉冲星到达时间噪声研究,随后又对北天的强源进行星际闪烁观测与研究。科研人员通过加强与国内外著名大学、天文台的合作交流,工作格局从单纯的学习、引进、配合,进入到“接力”性质的研究。在2000年喀纳斯召开的“脉冲星观测与研究”学术讨论会上,专家们对乌鲁木齐天文站取得的成绩给予了充分的肯定。叶叔华院士高兴地说:“与会同仁十分高兴,看到乌鲁木齐天文站已经建立了脉冲星观测设备,并且取得了可喜的结果。”王绶琯院士认为乌鲁木齐天文站的脉冲星工作的意义还在于“用小望远镜作了一项重要的学科开拓,带动了我国脉冲星实测研究”。

2002年7月,中国科学院超过百万元经费投入的18cm双极化制冷接收机研制、安装、调试成功,灵敏度优于1mJy,使乌鲁木齐25m射电望远镜系统可观测的脉冲星数量激增到300颗。乌鲁木齐天文站在观测对象和观测课题上做到了更广泛地与国际接轨,在国际上更具有了竞争性。这无疑是如虎添翼。短短几年,乌鲁木齐天文站脉冲星观测研究的论文相继在国内外学术刊物上发表近30篇,在重要的国际会议上报告4次,其中“南天脉冲星耀变”一文发表两年,就被引用15次之多。

在完成国际合作研究任务的过程中,一支专业配套、素质较高、由汉、维、哈各民族科技人员组成的射电天文队伍迅速成长起来,年轻的科学家和工程师们的努力奋斗精神得到了同行们的认同。

目前,新的“三国五方”合作协议《乌鲁木齐天文站脉冲星研究和脉冲星观测系统发展协议》已经签字,内容包括利用18cm制冷接收系统进行大样本脉冲星的观测和改造低频脉冲星观测系统以及发展脉冲星搜寻系统。新的课题目标已经确定。

“创新是一个民族的灵魂”,乌鲁木齐天文站在脉冲星观测研究中走出了一条发挥自己优势,争做精品的创新道路。

撰稿人:王娜

点评:

乌鲁木齐天文站25米口径射电望远镜原是作为甚长基线射电干涉网的一个观测单元而建设的。但他们不满足于此,在完成“网”中任务的前提下,充分利用现有科研资源,看到“小”的长处,用小望远镜开展脉冲星观测研究,直进国际前沿;继而配合国际大望远镜参与巡天“接力”;再而开展“三国五方”合作,参与国际竞争。“用小望远镜做了一项重要的学科开拓”。案例说明:事在人为,只要开动脑筋,即使在条件有限的情况下,也能做出“不一般”的工作。

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