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半個世紀的角逐:二戰後的國際脈衝星搜尋競賽

Disclaimer: adapted from a previous version.

前天,國家天文台宣布,FAST望遠鏡已經確認發現了6顆新的脈衝星。(見http://crafts.bao.ac.cn/pulsar/fast_all_pulsar_list/)

這是中國自己的望遠鏡第一次發現新的脈衝星——中國人終於進入了國際脈衝星俱樂部

實際上,第一顆脈衝星發現於1967年,距今已經整整50年,在這個領域,中國人是後來者,要趕上來,其實並不容易。今天,我們就來談談脈衝星搜索這場國際競賽的歷史

脈衝星的發現,被列入1960年代天文四大發現——另外三個是,類星體、星際有機分子和微波背景輻射。

不是每一個十年都有「三大」「四大」「五大」天文發現——實際上以「某某年代天文四大發現」並稱的,僅此一例

畢竟,1960年代,乃是射電天文學方興未艾的時代,人類第一次大規模透過光學以外的電磁波窗口向宇宙好奇的瞭望,所見的一切都是新鮮的。

那也是國際射電天文學界群雄逐鹿的年代。得益於二戰中為防禦德國空軍而成長起來的雷達技術,美國、英國及其前殖民地澳大利亞的射電天文技術發展佔得了先機

脈衝星搜尋這場國際競賽的跑道,正是他們逐鹿的中原

歷年累計發現脈衝星的總數。數據來源:ATNF脈衝星資料庫。製圖:劉博洋

到脈衝星發現的十周年(1977),各國共發現脈衝星149顆。

1978年,澳大利亞莫朗格洛望遠鏡(Molonglo)在「科學的春天」的同時發力領跑,一鼓作氣將已知脈衝星數量翻了一倍多,達到320顆。

莫朗格洛望遠鏡。圖片來源:UTMOST項目

不過在接下來的20年中,新脈衝星發現的步伐只能說不緊不慢:在位於美屬波多黎各、口徑305米的時任世界最大望遠鏡阿雷西博(Arecibo),美國綠岸天文台(Green Bank)的91米望遠鏡、英國喬德雷爾·班克天文台(Jodrell Bank)的76米望遠鏡,以及澳大利亞帕克斯天文台(Parkes)的64米望遠鏡共同努力下,到脈衝星發現的30周年(1997),各國脈衝星搜尋的累計戰果僅擴大到了705顆。

發現脈衝星第二多的阿雷西博望遠鏡。圖片來源:阿雷西博天文台 H. Schweikerm

脈衝星搜尋的前30年,脈衝星的發現增長几乎是線性,而非我們期待的指數增長。這是由射電望遠鏡的特性所決定的:一般一次只能觀測一個方向,也就是說,傳統上,射電望遠鏡是一個「單像素」的相機。面對浩瀚的銀河系,一個點一個點的測過去,自然進展緩慢。

你會說,如果一次能看多個像素,即使使用同樣的望遠鏡,觀測效率不也可以成倍增長嗎?

正在吊裝的帕克斯望遠鏡13波束接收機。圖片來源:CSIRO

雖然看起來很容易想到,真的做起來可不是那麼回事。在這個回合,澳大利亞人佔據了優勢:他們率先搞出了13波束接收機的黑科技,極大的提升了脈衝星搜尋效率,在接下來的20年里獨步天下。現在人類已知的2600多顆脈衝星里,有超過一半由帕克斯望遠鏡率先發現。

當然,除了技術優勢以外,南半球中緯度地區在一年中大部分時間都可以觀測到銀河系中心附近區域,也是澳大利亞天文學界兩度贏取先機的天然地利。

而前述澳大利亞「黑科技」也會應用在FAST上面:澳大利亞國立天文台正在為FAST望遠鏡開發19波束接收機,FAST超大的接收面積帶來的超強靈敏度,再有這項利器加持,中國在脈衝星搜索競賽中後來居上也是可以期待的了——在「脈衝星發現60年」的圖表上,定將出現一個巨大的新色塊:

它屬於FAST,屬於已故的南仁東老先生和所有繼續奮戰著的FAST人,屬於中國,屬於世界。

本文系網易新聞·網易號「各有態度」特色內容。


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