最近，中國(guó)天眼FAST探測(cè)到了快速射電暴FRB121102大量重復(fù)爆發(fā)，其捕捉的爆發(fā)數(shù)量為目前全世界已知最多（點(diǎn)擊閱讀原文了解更多）?？焖偕潆姳┦悄壳耙阎钪嬷猩潆姴ǘ巫蠲髁恋谋l(fā)現(xiàn)象，那么FAST在快速射電暴的研究上有哪些優(yōu)勢(shì)呢？一起來(lái)看看吧～
FAST對(duì)FRB的研究
具有獨(dú)特的重要意義
快速射電暴起源于遙遠(yuǎn)的星系，是射電波段最亮的信號(hào)。據(jù)估計(jì)，每天抵達(dá)地球的爆發(fā)脈沖多達(dá)幾千到上萬(wàn)次，而我們對(duì)于其物理機(jī)制只有猜測(cè)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有定論。據(jù)FRBCAT統(tǒng)計(jì)，截止目前已經(jīng)有近百個(gè)FRB的發(fā)現(xiàn)，其中10多個(gè)被認(rèn)定為重復(fù)爆發(fā)的快速射電暴。FAST視場(chǎng)相對(duì)較小，在發(fā)現(xiàn)新的FRB上和大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡如CHIME比，不占優(yōu)勢(shì)。但是它的靈敏度極高，對(duì)FRB的研究具有重大意義。FAST是理想的重復(fù)暴觀測(cè)設(shè)備， 可以得到全世界最好的爆發(fā)信噪比及爆發(fā)率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。此外，F(xiàn)AST將有可能探測(cè)到宇宙中最遙遠(yuǎn)的FRB。幾天以來(lái)，我們已經(jīng)探測(cè)到數(shù)百次的重復(fù)爆發(fā)，是已知最多的。目前仍在數(shù)據(jù)處理中。
FAST FRB 終端：
Building telescope is a game of shrinking dream
本次快速射電暴的爆發(fā)首先由 FAST快速射電暴實(shí)時(shí)探測(cè)終端（FAST FRB 終端） 實(shí)時(shí)捕捉并預(yù)警。望遠(yuǎn)鏡終端設(shè)備的建設(shè)是一個(gè)打怪升級(jí)的過(guò)程。從想法、設(shè)計(jì)和仿真到樣機(jī)，從樣機(jī)到可以測(cè)試使用的設(shè)備，從可以自己使用操作到可以供全世界天文學(xué)家觀測(cè)使用的常規(guī)設(shè)備。每一步，都不容易。
Lorimer博士在處理大麥哲倫星云脈沖星巡天數(shù)據(jù)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)快速射電暴（圖1）。其亮度驚人，在多個(gè)不同指向的波束中看到，相當(dāng)比例的數(shù)據(jù)已經(jīng)飽和。直到今天，人類(lèi)也不確切知道其真實(shí)亮度。由于只有一次探測(cè)，很難確認(rèn)其真實(shí)性和起源。在2007年發(fā)表于《科學(xué)》雜志之后，被稱為“Lorimer Burst", 但是受到普遍懷疑，特別是澳大利亞天文臺(tái)的微波爐也被發(fā)現(xiàn)有生成脈沖特征信號(hào)的能力。直到2013年Thornton等人認(rèn)證了其他四個(gè)爆發(fā)，這種現(xiàn)象才被稱作快速射電暴，開(kāi)啟了目前最為熱門(mén)的一個(gè)天文子領(lǐng)域。
圖1：由Duncan Lorimer發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)快速射電暴FRB 010724 （Lorimer et al. 2007, Science, 318, 777L）
快速射電暴領(lǐng)域興起時(shí)，F(xiàn)AST早已設(shè)計(jì)完成，開(kāi)工都已經(jīng)兩年多了。大型設(shè)備的升級(jí)總是復(fù)雜、系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。2015年，我們與國(guó)際射電望遠(yuǎn)鏡終端合作開(kāi)發(fā)平臺(tái)CASPER的創(chuàng)始人伯克利Werthimer教授進(jìn)行了詳細(xì)的探討，確定了拓展19波束終端，建設(shè)實(shí)時(shí)探測(cè)、觸發(fā)原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的FRB終端的方案。2016年，受中國(guó)科學(xué)院天文大科學(xué)中心邀請(qǐng)，西弗吉尼亞大學(xué)Lorimer教授和伯克利大學(xué)Heiles教授到FAST工程現(xiàn)場(chǎng)合作，進(jìn)一步討論了終端建設(shè)、偏振調(diào)試等等技術(shù)方案。
圖2：右起依次為Duncan Lorimer, Carl Heiles, 蔡肇偉，李菂。攝于2016年12月。
FAST FRB 終端建設(shè)團(tuán)隊(duì)需要電子工程等工程學(xué)背景的人才，而工程技術(shù)人才職業(yè)發(fā)展的選擇非常多，天文領(lǐng)域的待遇并不高。為了吸引學(xué)生加入團(tuán)隊(duì)，段然博士用其導(dǎo)師Sandy Weinreb的親身經(jīng)歷鼓勵(lì)大家。Weinreb是電子工程的博士，發(fā)明了世界第一臺(tái)digital auto-correlator, 在射電波段首次發(fā)現(xiàn)星際分子羥基（OH)。他的數(shù)字相關(guān)機(jī)技術(shù)，現(xiàn)在應(yīng)用于全世界幾乎所有的主要望遠(yuǎn)鏡 。Weinreb博士在2008年獲得射電天文大獎(jiǎng)the Grote Reber Medal。
圖3：射電天文第一個(gè)星際分子發(fā)現(xiàn)（左）及第一臺(tái)數(shù)字相關(guān)機(jī)（Weinreb et al. 1963 Nature)。
“自古偉大的天文學(xué)家，不都是自己造望遠(yuǎn)鏡的么？我們非常幸運(yùn)，可以參與到FAST望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)里來(lái)，很多人一輩子都趕不上”。后端團(tuán)隊(duì)最?lèi)?ài)說(shuō)的一句話是“Building telescope is a game of shrinking dreams"。這是一支心懷夢(mèng)想，堅(jiān)韌不拔的小團(tuán)隊(duì)。
圖4：2015年團(tuán)隊(duì)成員在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試
2015年， 團(tuán)隊(duì)成員在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試終端設(shè)備（上圖）。
圖5：2016年臨時(shí)終端室調(diào)試（上）、2017年終端室調(diào)試（中）、在FAST現(xiàn)場(chǎng)組織FRB終端技術(shù)研討下）
2016年的FAST現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)不像現(xiàn)在這么漂亮。當(dāng)時(shí)還是碩士研究生的張馨心用泡沫塑料做椅子，用UPS電源箱做桌子（危險(xiǎn)勿仿），堅(jiān)持完成調(diào)試工作。作為駐守在現(xiàn)場(chǎng)最久的終端建設(shè)人員，張馨心至今仍每年超過(guò)200天在FAST現(xiàn)場(chǎng)度過(guò)。臨時(shí)終端室地板是臨時(shí)搭建的，容易踩空，團(tuán)隊(duì)成員還曾掉下去過(guò)，好在沒(méi)有受重傷。2017年，F(xiàn)AST現(xiàn)場(chǎng)指揮部建設(shè)完成，終端設(shè)備搬進(jìn)了終端室，再也不用擔(dān)心地板不穩(wěn)掉下去了。
2018年9月，在FAST現(xiàn)場(chǎng)，我們組織合作成員UC Berkeley, 北師大，新疆臺(tái)的團(tuán)隊(duì)，技術(shù)攻關(guān)和初步測(cè)試。
FAST FRB終端：
一根敏感的脈沖視神經(jīng)
我們利用FRB終端試觀測(cè)已知脈沖星，測(cè)試信號(hào)捕捉能力和基本指向?qū)?yīng)。我們利用人為發(fā)射單脈沖信號(hào)，來(lái)校準(zhǔn)FRB終端，調(diào)整觸發(fā)的閾值。結(jié)合已知脈沖星的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)， 調(diào)節(jié)FRB終端針對(duì)信號(hào)變化的屬性。
圖6：FAST FRB終端針對(duì)已知脈沖星（左）和人工生成脈沖（右）的測(cè)試。
最近的幾個(gè)月，我們持續(xù)的對(duì)重復(fù)快速射電暴進(jìn)行跟蹤觀測(cè)， 同時(shí)也在漂移掃描的時(shí)候并行監(jiān)測(cè)。
2019年8月10日，F(xiàn)RB 終端在漂移掃描時(shí)，發(fā)現(xiàn)一顆新的脈沖星。在運(yùn)行啟動(dòng)很短的時(shí)間內(nèi)就有新脈沖星的發(fā)現(xiàn)，驗(yàn)證了FRB終端高效和強(qiáng)悍的脈沖捕捉能力。
圖7：FAST FRB終端實(shí)時(shí)捕捉的一顆新的脈沖星信號(hào)
北京時(shí)間8月30日凌晨，F(xiàn)AST FRB終端實(shí)時(shí)捕捉FRB121102爆發(fā)，記錄了原始數(shù)據(jù)并預(yù)警。碩士畢業(yè)后繼續(xù)留在團(tuán)組工作的助理工程師張馨心當(dāng)天在FAST現(xiàn)場(chǎng)操作FRB 終端觀測(cè)，邊觀測(cè)邊實(shí)時(shí)檢索候選體圖片，發(fā)現(xiàn)持續(xù)的DM在500-600之間的單脈沖爆發(fā)。這在對(duì)FRB121102之前的跟蹤觀測(cè)中，并未見(jiàn)到。我們意識(shí)到可能是真實(shí)爆發(fā)，并迅速通知相關(guān)人員。FAST工程調(diào)試團(tuán)隊(duì)第一時(shí)間做出了響應(yīng)，調(diào)整觀測(cè)計(jì)劃，安排補(bǔ)充凌晨的時(shí)間跟蹤觀測(cè)FRB121102。
圖8：FAST FRB 終端實(shí)時(shí)捕捉的FRB121102的爆發(fā)信號(hào)之一。
FAST FRB 終端系統(tǒng)具有高效的實(shí)時(shí)脈沖捕捉能力，可以和大部分觀測(cè)任務(wù)并行觀測(cè)。好似給天眼裝了一根敏感的視神經(jīng)，只要是有脈沖，不管是快速射電暴還是新的脈沖星，都可以實(shí)時(shí)察覺(jué)并迅速反映。
關(guān)于FRB的可能解釋和模型
FRB領(lǐng)域的發(fā)展軌跡很像“伽馬射線暴”領(lǐng)域的早期。人類(lèi)從發(fā)現(xiàn)“伽馬射線暴”到達(dá)成普遍接受的合理解釋經(jīng)過(guò)了幾十年。射電望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的發(fā)展，和預(yù)計(jì)中的大量可探測(cè)的FRB事件，使我們有理由相信FRB的起源會(huì)被更快的揭示。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前關(guān)于FRB起源的模型有數(shù)十種。這些模型分為可重復(fù)的（解釋重復(fù)暴）和災(zāi)變性的（解釋不重復(fù)暴）。重復(fù)暴的可能起源包括脈沖星的巨脈沖，星際及星系間介質(zhì)的放大作用，磁星爆發(fā)或同步脈澤輻射，中子星磁層與臨近天體相互作用，小行星撞中子星等。災(zāi)變性FRB的起源模型包括超大質(zhì)量中子星坍縮，雙中子星并合，黑洞并合，宇宙弦釋放能量等。目前觀測(cè)限制極度缺乏。甚至有文章討論FRB來(lái)源于地外智慧生命的可能性。這不是本文作者的觀點(diǎn)，但反應(yīng)了FRB帶來(lái)的我們對(duì)已知的未知和未知的未知的探索追求。
探索未知的好奇心是基礎(chǔ)科學(xué)的原動(dòng)力。一半的天文發(fā)現(xiàn)是“happy accident”, 包括宇宙微波背景輻射，加速膨脹的宇宙, 脈沖星, 伽馬射線暴，和現(xiàn)在的FRB等等。阿雷西博望遠(yuǎn)鏡建設(shè)在脈沖星發(fā)現(xiàn)之前。而阿雷西博脈沖星的觀測(cè)成果證實(shí)了引力波的存在，獲得1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。讓我們保持一個(gè)好奇的，開(kāi)放的心態(tài)，期待FAST和人類(lèi)的更多發(fā)現(xiàn)。
FAST FRB 后續(xù)期待
憑借FAST極高的靈敏度和FRB終端高效的捕捉能力，我們相信，F(xiàn)AST不僅在重復(fù)暴的監(jiān)測(cè)上將持續(xù)發(fā)揮作用， 我們將會(huì)在FRB領(lǐng)域有持續(xù)的新發(fā)現(xiàn)，請(qǐng)大家拭目以待。
作者簡(jiǎn)介
段然，博士畢業(yè)于加州理工大學(xué)Caltech 電子工程系，負(fù)責(zé)FAST FRB 終端和CRANE 終端平臺(tái)建設(shè)。曾負(fù)責(zé)CSO，SPIDER, CCAT等望遠(yuǎn)鏡信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)/建設(shè)和亞毫米波器件設(shè)計(jì)。
李菂，國(guó)家天文臺(tái)研究員，F(xiàn)AST FRB 終端項(xiàng)目PI。
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