建了 FAST 這口世界最大的「鍋」，專門用來看脈衝星
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FAST 望遠鏡都有哪些值得期待的地方？
中國科普博覽，我們科學家有話說
9 月 25 日，FAST 落成啟用儀式暨國際射電天文論壇將舉辦。
這項歷時十數年的大工程，終於落成。
就在今年7 月 3 日上午，在經歷了 11 個月的施工之後，貴州大山深處的 FAST 望遠鏡鋪設完了它最後一塊面板，標誌著其主體工程的完工。
落成啟用儀式後，FAST 很快會進入調試階段，一步步靠近它既定的科學目標。
想想就有點小激動呢！
FAST 望遠鏡這麼大一口鍋，用來幹什麼好呢？
拿來炒脈衝星，哦不，找脈衝星，想必是極好的。
建設中的 FAST 與銀河
（圖片來源：世界最大單口徑球面望遠鏡主體工程即將完工）
脈衝星是什麼？
脈衝星，按字面意思來解釋，就是會發射脈衝的星星。
嗯，那不就是平時說的一閃一閃眨著眼睛的星星嗎？不是，同樣是眨眼睛，脈衝星好清純好不做作，和那些妖艷貨色不一樣，眨得更讓科學家們來電！
我們晚上用肉眼看到的星星一閃一閃，主要是大氣抖動引起的。而脈衝星則是因為自身的輻射和運動特性，導致會不停地「閃」。
對於脈衝星輻射現象的一個最簡單的也是最經典的模型，是所謂的「燈塔模型」。
脈衝星，本身是直徑大約 10 到 15 公里之間，質量卻比太陽還大的中子星（一般的中子星質量是 1.2 到 1.5 倍太陽質量之間）。中子星和地球一樣，繞著自身的自轉軸不停地旋轉，並且有南北兩個磁極。中子星磁極的磁場十分強大，一般有 1012到 1015高斯（毫秒脈衝星磁場一般是 108到 109高斯），而我們地球磁極的磁場強度僅有 0.6 到 0.7 高斯左右。
電子被中子星磁極的強磁場加速，導致磁極處發出很強的輻射。
在自轉軸和磁軸不重合的情況下（如同地球地理南北極和地磁南北極不重合一樣），隨著中子星的旋轉，從其南北磁極發出來的強大輻射束就會如同燈塔的光束一樣，一圈圈掃向四周。當某顆中子星的輻射束掃過地球的時候，我們就會看到一個不斷眨眼睛的脈衝星。
為什麼要用 FAST 那麼大一口鍋來炒找脈衝星？
直接用肉眼看，找不到脈衝星嗎？
為什麼要用 FAST 那麼大一口鍋來找？
中子星的輻射很特殊。中子星本身很暗很暗，而它兩極的輻射束卻很強大，於是我們基本只能通過觀測其輻射束的輻射來觀測它。也就是說，天文學家觀測到的中子星，基本都是脈衝星。
除了很亮之外，中子星輻射束還有一個特點，多數只在射電波段有輻射。
這就意味著我們只能用射電望遠鏡來觀測這部分脈衝星。
而即使對於少量在可見光波段有輻射的脈衝星，由於它們發射脈衝的速度很快，人眼極難分辨，想直接肉眼看到幾乎不可能。
雖然中子星輻射束很亮，但當他穿過遙遠的星際空間到達地球時，還是變得很微弱。為了發現並研究這些脈衝星，科學家不得不使用大口徑的望遠鏡來進行觀測。
而即使是這樣，到目前為止，人們也只是發現了 2500 余顆脈衝星，其中大部分是由澳大利亞 64 米口徑的帕克斯望遠鏡找到的。
有研究認為，如果使用 FAST 來尋找脈衝星，我們將能發現6500 顆新的脈衝星，這將是已發現脈衝星總量的 2.6 倍！
發現了 1000 多顆脈衝星的澳大利亞帕克斯 64 米射電望遠鏡
（圖片來源：Visit Parkes CSIRO Radio Telescope）
脈衝星這東西，能吃嗎？好吃嗎？怎麼吃？
說了這麼多，按照一貫思路，應該再回答下，脈衝星這東西，能好怎？
呃……不能吃！不知道怎麼吃！估計也不好吃。
不過拿來搞個大新聞還是個不錯的選擇。
至今為止，脈衝星領域的研究已經拿了兩個諾貝爾獎：一個是 1967 年發現第一顆脈衝星，證實了中子星的存在；另一個是 1974 年發現雙脈衝星系統PSR B1913+16，間接證實了引力波理論。
除了這兩個獲諾獎的，還有其它利用脈衝星做出來的重要研究成果，比如：1972 年在蟹狀星雲這個超新星遺迹中發現脈衝星，證實了超新星爆炸是產生中子星的主要機制；1990 年對脈衝星 PSR B1257+12 的觀測研究，首次發現了太陽系外的行星。
雙脈衝星系統 PSR B1913+16 軌道進動測量數據（點）和廣義相對論的預計（線）近乎完美的相符。
（圖片來源：Pulsar Timing）
脈衝星還有其它功效嗎？
脈衝星為啥這麼厲害？它還有什麼神奇的功效？
脈衝星能夠如此受到科學家們的青睞，主要由於它包含了幾個特點：質量大、自轉穩、短脈衝、線偏振。
正如前面提到的雙脈衝星系統驗證廣義相對論理論的研究，由於兩顆脈衝星質量都很大，靠得還很近，所以相對論效應很明顯。
然後由於脈衝星的脈衝周期一般是十分穩定的，我們能通過觀測脈衝周期的變化，知道脈衝星本身狀態的變化。
兩者結合，便可以拿來驗證廣義相對論。
脈衝星自轉周期的穩定性，也被用來作為探測引力波的工具。
科學家通過觀測，收集一些脈衝周期足夠穩定的脈衝星，然後對他們進行監測。監測到的脈衝周期變化數據會和引力波理論預言的結果做比對，從而來尋找引力波存在的證據。
其他天體的輻射一般都是連續發射，並且強度變化緩慢甚至不變。而脈衝星脈衝周期僅有毫秒到秒量級，而其發射出來的脈衝持續的時間僅僅占約十分之一個脈衝周期。這樣的脈衝輻射，在穿過星際空間到達地球的過程中，會受到電離物質的影響，產生「色散」效應。這種效應現在通常被用來估計脈衝星與地球之間的距離，或用以研究銀河系的電子密度模型。
除了「色散」，星際介質對脈衝星的影響還包括「散射」、「折射」，這些現象都可以幫助我們研究從脈衝星到地球這段星際空間的物質狀態。
還有更好玩的事情，那就是用脈衝星來測量銀河系的磁場。
很多脈衝星的射電輻射帶是線偏振的。當脈衝星的脈衝穿過星際空間時，它的偏振方向會受到星際磁場的影響發生偏轉，即所謂的「法拉第旋轉」效應。
通過測量廣泛分布於銀河系空間中的脈衝星的「法拉第旋轉」效應，我們就可以測量出銀河系的磁場分布了。
值得高興的一點是，這一測量工作是由中國科學家首先做出來的。
脈衝星也並不只能拿來進行基礎科學研究。
設想下，假如我們知道脈衝星的具體位置，知道其準確的脈衝發射周期，那它不就變成一個名符其實的燈塔和時鐘了嗎？！
是的，理論上最少只要 4 顆脈衝星，就能為我們提供空間位置和時間信息。
將來如果人類有能力進行星際航行，或許脈衝星會被用來為飛船指引方向呢！
FAST這麼大的一口鍋，拿來看脈衝星能看出花來么？
也許可以呢？
對於已有的研究方向，這麼大的望遠鏡，可以用來做更深入的研究。而更令科學家們期待的，其實更多的是那些預測不準，甚至完全預測不到的東西。
萬一發現一顆轉得特別特別快的脈衝星，從而證實了夸克星的存在呢？
萬一發現一顆脈衝星和黑洞組成的雙星系統，從而更好地檢驗了引力波理論呢？
萬一在仙女座大星系裡面看到好幾顆脈衝星，使我們可以研究星系際空間物質情況或者仙女座大星系本身的一些物理性質呢？
這麼多的「萬一」，想想還真是有點小激動呢！
來源：科普中國
作者 @蕉葉
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FAST 除了代替 Arecibo 成為世界最大的射電望遠鏡外，與之相比還有哪些優勢？
劉博洋，天體物理學博士生
Arecibo 位於北緯 18.5°，能觀測的最大天頂距是 20°；FAST 位於北緯 25.7°，由於使用主動反射面設計，鍋的形狀也不一樣，能觀測的最大天頂距是 40°。
這樣 Arecibo 能觀測的天區範圍就是赤緯 -1.5°到 38.5°，FAST 能觀測的天區範圍是赤緯 -14.3°到 65.7°，FAST 望遠鏡的顯然要廣很多。
也就是說即使 FAST 跟 Arecibo 在性能上一模一樣，光是多出來的這些天區就能讓 FAST 看到很多前人沒看過的東西。例如，位於赤緯 41°的 M31，我們的本星系群中的另一個銀河系大小的主要星系，剛好落在 Arecibo 可觀測天區之外，Arecibo 干著急看不著。
而實際上 FAST 因為更大，有顯著的靈敏度優勢，在搜尋脈衝星方面可以期待有大量收穫，結合起來，我們期待能用 FAST 在 M31 中找到首顆銀河系外的射電脈衝星。（本來說好了要找到首顆銀河系外脈衝星的，結果 Fermi 在伽馬射線波段先發現了 M31 中的脈衝星，FAST 只能找首顆系外射電脈衝星了。）
在 HI（氫原子）巡天方面，我們也可以在 M31 等感興趣的天區得到比前人更深或解析度更好的結果。
（此前 WSRT 對 M31-M33 的 HI 巡天，靈敏度不錯，但是解析度 49 角分太粗糙了。FAST 在 HI 譜線的 L 波段的解析度可以達到 3 個角分。）
（德國 Effelsberg 望遠鏡對 M31-M33 的 HI 巡天，解析度達到了 10 個角分，不及 FAST；靈敏度尚不及前面 WSRT 的結果，FAST 可以很容易做到比這個深至少一個量級。）
有關 FAST 工程的各種問題，你都能在FAST 工程 - 內容精選 - 知乎里找到：）
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