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中国天眼发现脉冲星辐射新形态——矮脉冲族群
北京时间8月18日，国际科学期刊《自然·天文》发表了中国科学院国家天文台韩金林研究员领导的王绶琯巡天突击队的新成果，该团队利用中国天眼FAST成功探测并解析了一批脉冲星B2111 + 46磁层中零星雨滴般的微弱矮脉冲辐射。这种矮脉冲辐射族群是国际上其他射电望远镜难以观测的脉冲星辐射新形态，揭示了脉冲星辐射濒临熄灭时其磁层结构基本不变的物理事实。脉冲消零的可能物理原因包括磁层结构和辐射区的变化、脉冲星感应电势不足导致放电火花和正负电子对的级联过程不能发生、或其他磁层一些区域产生了等离子体淹没了脉冲星的感应电场区域等。
北京时间8月18日，国际科学期刊《自然·天文》发表了中国科学院国家天文台韩金林研究员领导的王绶琯巡天突击队的新成果，该团队利用中国天眼FAST成功探测并解析了一批脉冲星B2111+46磁层中零星雨滴般的微弱矮脉冲辐射，这种矮脉冲辐射族群是国际上其他射电望远镜难以观测的脉冲星辐射新形态，揭示了脉冲星辐射濒临熄灭时其磁层结构基本不变的物理事实。
脉冲星旋转时一般会周期性地辐射出射电信号。然而，一些脉冲星经常会在某些周期中辐射完全熄灭，此现象被称为“脉冲消零”。脉冲消零的可能物理原因包括磁层结构和辐射区的变化、脉冲星感应电势不足导致放电火花和正负电子对的级联过程不能发生、或其他磁层一些区域产生了等离子体淹没了脉冲星的感应电场区域等。由于脉冲星辐射熄灭后，完全没有辐射，磁层结构和物理特征很难被探测，因此“脉冲消零”产生的物理机制一直难以确定。
该团队在利用FAST进行脉冲星搜寻时通过仔细处理数据发现一颗已知脉冲星B2111+46在原本以为的“脉冲消零”状态下仍然有零星暗弱且宽度很窄的脉冲，这样的脉冲被命名为矮脉冲。之后针对这颗星进行了2小时的验证观测，获取了一百多个矮脉冲，他们在脉冲强度和宽度的分布上与正常脉冲明显区隔，构成为一个独立的辐射族群。因为FAST超高灵敏度，对矮脉冲的精确偏振测量结果表明，与正常脉冲相比，矮脉冲辐射区域的磁层结构基本没有改变，但矮脉冲中更容易在高频波段流量变的很强。精细测量单粒子滴辐射的反转辐射谱在过去的天文观测中相当罕见。
脉冲星B2111+46相对比较年老，已经位于脉冲星的“死亡谷”，因此“脉冲消零”很可能是由于年老脉冲星感应电势和粒子加速能量不足引起的辐射不稳定。脉冲星正常脉冲是在稳定加速大量带电粒子、产生大量“雷暴”粒子滴所辐射出来的，而矮脉冲则是由这颗濒临死亡脉冲星在脆弱不稳定状态下形成的一个或少数几个粒子滴所产生的。
该团队也在其他几颗脉冲星的“脉冲消零”状态中也检测到了少量矮脉冲，这种极弱辐射模式的新状态，只有用类似FAST极灵敏的望远镜才能探测到。
此次矮脉冲族群的发现为研究脉冲星辐射难题研究打开了一个新窗口，对揭示脉冲星磁层物理及其极端等离子体环境具有重要的科学意义。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41550-023-02056-z。
图1：FAST以超高的灵敏度解构脉冲星B2111+46每个周期的辐射，其中第237号脉冲是一个特别的矮脉冲。
图2：脉冲星B2111+46的矮脉冲在脉冲宽度和辐射能量方面与正常脉冲明显区隔，成为脉冲星辐射的新形态。
2023-08-18
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天问一号研究发现火星冰期结束伴随火星全球风场和气候改变
北京时间7月6日，国际科学期刊《自然》在线发表了中国天问一号的最新研究成果，中国科学院国家天文台领导的国际合作研究团队在祝融号着陆区发现火星古风场改变的沉积层序的证据，证实风沙活动记录了火星古环境随火星自转轴和冰川期的变化。风沙作用作为火星晚亚马孙纪以来最主要的地质营力，塑造了火星表面广泛分布的风沙地貌，沉积、记录了火星演化晚期和近代气候环境特征和气候变化过程。针对这一科学问题，中国科学院国家天文台李春来团队，联合中国科学院地质与地球物理所郭正堂团队、中国科学院青藏高原所，布朗大学和天问一号任务工程团队，瞄准火星乌托邦平原南部丰富的风沙地貌。
北京时间7月6日，国际科学期刊《自然》在线发表了中国天问一号的最新研究成果，中国科学院国家天文台领导的国际合作研究团队在祝融号着陆区发现火星古风场改变的沉积层序的证据，证实风沙活动记录了火星古环境随火星自转轴和冰川期的变化。
在太阳系的行星中，火星与地球最为相似，火星的现状和演化历程，被认为可能代表着“地球的未来”，针对火星气候演化的探测研究长期以来备受关注。风沙作用作为火星晚亚马孙纪以来最主要的地质营力，塑造了火星表面广泛分布的风沙地貌，沉积、记录了火星演化晚期和近代气候环境特征和气候变化过程。但由于缺乏就位、近距离详细系统的科学观测，我们对火星风沙活动过程和记录的古气候知之甚少。
针对这一科学问题，中国科学院国家天文台李春来团队，联合中国科学院地质与地球物理所郭正堂团队、中国科学院青藏高原所，布朗大学和天问一号任务工程团队，瞄准火星乌托邦平原南部丰富的风沙地貌，利用环绕器高分辨率相机、火星车导航地形相机、多光谱相机、表面成分分析仪、气象测量仪等开展了高分辨率遥感和近距离就位的联合探测，提取了沙丘形态、表面结构、物质成分等信息，分析了其指示风向和发育年龄，发现了着陆区风场发生显著变化的层序证据，并与火星中高纬度分布的冰尘覆盖层记录有很好的一致性，揭示了祝融号着陆区可能经历了以风向变化为标志的两个主要气候阶段，风向从东北到西北发生了近70度的变化，风沙堆积从新月形亮沙丘转变为纵向暗沙垄。这一气候的转变，发生在距今约40万年前的火星末次冰期结束时，可能是由于自转轴倾角的变化，火星从中低纬度到极地地区，发生了一次“冰期-间冰期”的全球性气候转变。该项研究有助于增进我们对火星古气候历史的理解，不仅为火星古气候研究提供了新的视角，为火星全球气候模拟提供了重要约束，甚至可能为地球未来的气候演化方向提供借鉴。
该项研究工作得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、中国科学院重点部署项目等的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06206-1。
祝融号着陆区沙丘探测和沙丘形成模式
2023-07-07
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我国天文学家提出同时揭秘宇宙第一代星系和暗物质的新方法
北京时间2023年7月7日凌晨，国际学术期刊《自然·天文》 （ Nature Astronomy ）在线发表了中国科学院国家天文台和东北大学合作研究的一项重大成果。这项理论研究提出，利用宇宙黎明时期21厘米森林信号的一维功率谱测量，未来的平方公里阵列射电望远镜（ SKA ）将能够同时揭秘宇宙第一代星系和暗物质的性质。中科院国家天文台徐怡冬副研究员、陈学雷研究员和东北大学张鑫教授为论文共同通讯作者，东北大学博士生邵悦为论文第一作者。？宇宙中第一代星系是如何形成的？中性氢的21厘米谱线为宇宙黎明与第一代星系提供了独一无二的探测手段，利用21厘米谱线探测宇宙黎明与再电离也是平方公里阵列射电望远镜（ SKA ）最重要的科学目标之一。
北京时间2023年7月7日凌晨，国际学术期刊《自然·天文》（Nature Astronomy）在线发表了中国科学院国家天文台和东北大学合作研究的一项重大成果。这项理论研究提出，利用宇宙黎明时期21厘米森林信号的一维功率谱测量，未来的平方公里阵列射电望远镜（SKA）将能够同时揭秘宇宙第一代星系和暗物质的性质。中科院国家天文台徐怡冬副研究员、陈学雷研究员和东北大学张鑫教授为论文共同通讯作者。
宇宙中第一代星系是如何形成的？它们如何照亮黑暗时代并迎来宇宙黎明？宇宙早期的星系际介质是如何被第一代星系电离并加热的？这些问题一直是天文学领域致力于解答的重大科学难题。中性氢的21厘米谱线为宇宙黎明与第一代星系提供了独一无二的探测手段，利用21厘米谱线探测宇宙黎明与再电离也是平方公里阵列射电望远镜（SKA）最重要的科学目标之一。
中性氢的21厘米信号有多种观测模式。常见的观测模式是以宇宙微波背景辐射为背景源的21厘米信号测量。同时，宇宙早期各种结构及其周围的氢原子气体会在高红移射电点源的光谱上产生密集的21厘米吸收线，这些吸收线丛被形象地称为21厘米森林（图 1）。由于信号微弱，且依赖于宇宙黎明时期的射电亮源的获取，多年来21厘米森林探测面临极大挑战。另一方面，21厘米森林信号同时受到第一代星系加热效应和暗物质性质的影响，观测上很难区分这两种效应，使得21厘米森林探测在提出以来的二十多年中，难以实际用于限制第一代星系的热效应或暗物质的性质。
此项工作深入研究了过去鲜有论及的21厘米森林探针，并提出了一种原创性的统计测量方案，使之不仅能够限制宇宙第一代星系的性质，还可以同时测量暗物质粒子的质量。
图1. 21厘米森林信号示意图（左图）和模拟得到的不同加热率（fX）下的宇宙黎明21厘米森林信号。
近年来，已有一批高红移射电噪的类星体被发现，而且SKA望远镜也已进入工程建设阶段，开展21厘米森林观测已迫在眉睫。“我们意识到由温暗物质效应和加热效应引起的信号变化，在光谱上的尺度分布特征不同，因此通过一维功率谱分析，将可以从统计上提取关键特征以区分这两种效应。”徐怡冬介绍说，“而且，如果对同一段光谱的两次测量做互相关，将能够显著压低噪声，从而提高信噪比。这对21厘米森林这种弱信号的提取是非常关键的。”
模拟结果显示，一维交叉功率谱测量显著提高了观测的灵敏度，同时，一维功率谱的幅度和形状特征使得信号的尺度依赖性被显现出来（图 2）。这使得21厘米森林变得切实可行，且能够同时测量暗物质粒子质量和宇宙黎明时期的热历史。因此，21厘米森林的一维功率谱确实可以成为一箭双雕的宇宙学探针，为揭开暗物质和第一代星系之谜提供了一种极有前景的新途径。
图2. 模拟得到的21厘米森林一维功率谱。左图为冷暗物质模型下，宇宙黎明不同加热率的21厘米森林功率谱信号；右图为未加热的星系际介质中，不同暗物质粒子质量下的21厘米森林功率谱。点线和虚线分别为一期和二期SKA低频阵列的热噪声水平，误差棒为SKA二期低频阵列的测量误差。功率谱的形状和幅度将能用于区分温暗物质和加热效应。
徐怡冬和张鑫应邀为《自然·天文》专门撰写了介绍性短文。国际著名专家、加拿大圆周理论物理研究所的Katherine Mack教授在《自然·天文》评论道：“这项研究提出了一种有趣的方法，利用21厘米森林功率谱同时限制两种现象：宇宙X射线对星系际介质的加热以及温暗物质的可能效应。虽然以前的研究已经检查了21厘米森林作为星系际介质探针的可能性，但将温暗物质效应作为一个独立信号包含进来则为未来的观测提供了一个新的科学目标。”
《自然·天文》的编辑团队也针对这项研究发表了评论：“我们宇宙的最远处总是极为神秘，由于被尘埃、吸收光的原子和中间介质中的气体阻挡而很难直接观测。这项研究将吸收转化为一种优势，利用它打破了其他方法所遭遇的不同效应的简并，并可用于阐明早期宇宙的结构形成。”
这一突破性方法的发展对于解开暗物质和宇宙早期天体形成的奥秘具有重要意义，将进一步推动我们对暗物质的理解，揭示宇宙结构形成及演化的过程。通过更深入的观测和分析，我们有望在不久的将来获得关于暗物质性质和早期星系形成的更多见解，进一步拓展我们对宇宙的认知。
该项研究由国家重点研发计划项目和国家自然科学基金项目资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41550-023-02024-7。
2023-07-07
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国家天文台举办庆祝建党102周年大会暨主题教育工作推进会
6月29日下午，国家天文台隆重举行庆祝建党102周年大会暨学习贯彻习近平新时代中国特色社会主义思想主题教育工作推进会。会议传达学习了中国科学院党的建设工作会议精神，为“光荣在党50年”党员颁授了纪念章，表彰了“两优一先”先进典型，为新成立的科技攻关突击队授旗，党委书记汪洪岩同志、纪委书记欧云同志分别为大家讲了主题教育专题党课，系统梳理了主题教育工作进展和下一步工作安排。
6月29日下午，国家天文台隆重举行庆祝建党102周年大会暨学习贯彻习近平新时代中国特色社会主义思想主题教育工作推进会。会议传达学习了中国科学院党的建设工作会议精神，为“光荣在党50年”党员颁授了纪念章，表彰了“两优一先”先进典型，为新成立的科技攻关突击队授旗，党委书记汪洪岩同志、纪委书记欧云同志分别为大家讲了主题教育专题党课，系统梳理了主题教育工作进展和下一步工作安排。国家天文台台长常进院士，中国科学院主题教育第九巡回指导组组长李志毅，台领导班子全体成员，党委委员、纪委委员，台务委员、总工程师，“光荣在党50年”老党员代表，台副处级及以上领导干部，台工会、团委、妇委会委员，各党支部书记及委员，各分工会主席及委员，学生党员代表，新党员代表，民主党派和无党派人士代表，入党积极分子代表等120余人在主会场参加了会议，台属各党支部组织全台广大党员、干部职工、离退休干部、学生在线参加了大会。会议由副台长、党委委员刘继峰同志主持。
会议现场
会上，新党员进行了入党宣誓，全体党员在新党员领誓下重温了入党誓词。台长常进院士为老党员代表颁发了“光荣在党50年”纪念章，新党员代表向老党员敬献了鲜花，大家用掌声向他们致以崇高敬意。
常进台长为老党员代表颁发纪念章
大会对获得中国科学院优秀共产党员和中国科学院先进基层党组织的集体和个人进行了表彰，对获得国家天文台2022-2023年度优秀共产党员、优秀党务工作者、先进基层党组织的集体和个人进行了表彰。
颁奖现场
大会还举办了科技攻关突击队授旗仪式，台长常进院士为“空间站巡天空间望远镜巡天模块科技攻关突击队”和“EP星海先锋科技攻关突击队”授旗，两个突击队负责人和党组织负责人共同接受授旗。
授旗环节
党委书记汪洪岩作了题为《深入学习全院党建工作会议精神 扎实推进国家天文台主题教育工作》的专题党课报告，带领与会人员深入学习领会习近平新时代中国特色社会主义思想，准确把握习近平总书记和党中央对我国科技自立自强的要求，全面详细传达全院党建工作会议精神和侯建国院长专题党课的有关内容和要求，对院党组新时期、新战略、新要求进行了宣贯诠释，通报了国家天文台主题教育、干部队伍教育整顿、领导班子调查研究等工作进展情况，分析了国家天文台科技创新发展和党的建设工作中存在的问题和差距，以及未来一段时间的改进思路、措施和重点。汪洪岩表示，希望全台广大党员干部职工主动肩负起新的使命和重任，为加快实现高水平天文科技自立自强作出应有贡献。
汪洪岩书记作党课报告
纪委书记欧云作了题为《廉洁从业警示教育、推进全面从严治党》的专题党课报告，通过10个典型案例对全台职工进行警示教育，结合对警示教育、风险防控领域的调查研究情况，全面领学了全面从严治党的有关要求，特别强调了“全面从严治党，关键是从严治吏，重点是做好监督，基础是完善制度体系，长远是培育廉洁文化”，希望全台广大党员干部职工共同努力，为国家天文台科技创新、改革发展营造风清气正的良好环境。
欧云书记作党课报告
2023-07-01
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中国天眼FAST纳赫兹引力波搜寻研究取得重大突破
近日，由中国科学院国家天文台等单位科研人员组成的中国脉冲星测时阵列（ CPTA ）研究团队利用中国天眼FAST ，探测到纳赫兹引力波存在的关键性证据，表明我国纳赫兹引力波研究与国际同步达到领先水平。国家天文台还将积极推进FAST扩展和升级，基于脉冲星测时阵列方法，实现纳赫兹引力波事件的常规观测，从而建成纳赫兹引力波天文台，并开启更高灵敏度和更高分辨率的低频射电观测研究新纪元，将我国加快建设成为引力波天文和射电天文的强国。未来，这些区域性合作将推进国际脉冲星测时阵列合作，期待脉冲星测时阵列将很快为人类探索宇宙打开纳赫兹引力波观测新窗口。
近日，由中国科学院国家天文台等单位科研人员组成的中国脉冲星测时阵列（CPTA）研究团队利用中国天眼FAST，探测到纳赫兹引力波存在的关键性证据，表明我国纳赫兹引力波研究与国际同步达到领先水平。相关论文在我国天文学术期刊《天文与天体物理学研究（RAA）》在线发表。
纳赫兹引力波是引力波的一种，而引力波是由加速运动的有质量物体扰动周围的时空而产生时空的涟漪。对频率低至纳赫兹的引力波进行探测，将有助于天文学家理解宇宙结构的起源，探测宇宙中最大质量的天体即超大质量黑洞的增长、演化及并合过程；也有助于物理学家洞察时空的基本物理原理。
在此次研究中，CPTA团队利用FAST对57颗毫秒脉冲星进行了长期系统性监测，并将这些毫秒脉冲星组成了银河系尺度大小的引力波探测器来搜寻纳赫兹引力波。该团队基于独立开发的软件，对 FAST收集的时间跨度3年5个月的数据进行分析研究，在4.6西格玛置信度水平（误报率小于五十万分之一）上发现了具有纳赫兹引力波特征的四极相关信号的证据。
引力波信号极其微弱，却是探测宇宙中不发光物质的直接手段，探测引力波并且开辟引力波观测宇宙的新窗口是天文学家长期以来追求的目标。20世纪70-80年代，引力波的存在通过观测脉冲双星系统的轨道变化得以间接证实，并获得了1993年诺贝尔物理学奖。2016年，美国激光干涉引力波天文台（简称LIGO）宣布在百赫兹频段探测到恒星级质量双黑洞并合产生的引力波，并因此获得了2017年诺贝尔物理学奖。更大质量的天体产生的引力波频率更低。例如，宇宙中质量最大的天体，星系中心的超大质量双黑洞系统（亿到千亿倍太阳质量）系统绕转产生的引力波主要集中在纳赫兹频段，相应的信号时标为年到几十年。在这个频段内，还有宇宙早期原初引力波残存至今的部分和宇宙弦等奇异对象产生的引力波。
开辟纳赫兹引力波探测宇宙的新窗口对于理解超大质量黑洞、星系并合历史、宇宙大尺度结构形成等问题具有重大意义。纳赫兹引力波由于频率极低、周期长达数年，其波长可达数光年，对它的探测十分具有挑战性。利用大型射电望远镜对一批自转极其规律的毫秒脉冲星进行长期测时观测，是纳赫兹引力波目前已知的唯一探测手段。发现纳赫兹引力波是国际物理和天文领域竞赛的焦点之一。国际上，美国NANOGrav、欧洲EPTA、澳大利亚PPTA，利用各自的大型射电望远镜，已分别开展了长达20年的纳赫兹引力波搜寻。近几年，印度脉冲星测时阵列（InPTA）和南非脉冲星测时阵列（SAPTA）也加入了这一激烈的竞争。中国脉冲星测时阵列（CPTA）于2019年开始依托FAST进行纳赫兹引力波探测。
脉冲星测时阵探测纳赫兹引力波的灵敏度强烈依赖于观测时间跨度——即灵敏度随着观测时间跨度的增长而迅速增加。CPTA研究团队面对观测时间跨度远短于美、欧、澳三个国际团队的不利局面，充分利用FAST灵敏度高、可监测脉冲星数目多、测量精度更高的优势，长期系统地监测了一大批毫秒脉冲星，自主开发独立数据分析软件，以数据精度、脉冲星数量和数据处理算法上的优势弥补了时间跨度上的差距，使我国纳赫兹引力波探测灵敏度很快达到了与美、欧、澳相当的水平，从而同时实现此次重大科学突破。不过，受限于当前观测数据较短的时间跨度，CPTA团队暂时无法确定纳赫兹波段引力波的主要物理来源，但这将随着后续观测数据时间跨度的增加而解决。由于CPTA现有数据时间跨度较短，所以数据时间跨度增长带来的效果会更明显，例如，如果数据时间跨度再增长3年5个月，CPTA的数据时间跨度将翻倍，而其他国际团队仅增长不到20%。
我国最早在2002年开展了初步的脉冲星测时阵前期调研。2016年6月，中国科学院对纳赫兹引力波探测研究进行了前瞻、战略和系统布局， 部署了“多波段引力波宇宙研究”战略性先导科技专项（B类），联合国内北京大学、中国科学院新疆天文台、云南天文台、上海天文台，国家授时中心、广州大学等多家相关单位组建了中国脉冲星测时阵列研究团队，为利用FAST探测纳赫兹引力波开展科学和技术预研。2019年6月成立FAST科学委员会，进一步凝练原创突破目标，整合全国最优秀青年科技力量，依托FAST组织开展体系化、建制化科研攻关，通过遴选评议设立了中国脉冲星测时阵列优先和重大项目、提供观测时间，加快开展纳赫兹引力波探测协同攻关。由于观测数据积累的时间跨度对探测纳赫兹引力波非常重要，为尽早开始积累观测数据，2019年9月，FAST还处于调试阶段，CPTA团队就联合FAST调试工作组开始试观测，尽可能早地为探测纳赫兹引力波积累观测数据。此外，2020年科技部通过平方公里阵列射电望远镜（SKA）专项部署了“脉冲星测时和检验引力理论”科研任务，利用FAST等国内射电望远镜组成望远镜阵列，开展阵列望远镜脉冲星测时和纳赫兹引力波探测的预先研究。2020年国家自然科学基金委通过FAST专项重点群部署了“基于FAST的脉冲星前沿物理问题研究”，开展脉冲星物理特性和测时噪声研究，进一步提高脉冲星测时精度。
后续，中国科学院国家天文台将充分发挥FAST脉冲星测时精度国际领先优势，加快纳赫兹引力波探测科研攻关，积累更长期的观测数据，逐步发表更高精度的探测结果，彻底打开人类利用纳赫兹引力波探测宇宙的新窗口。国家天文台还将积极推进FAST扩展和升级，基于脉冲星测时阵列方法，实现纳赫兹引力波事件的常规观测，从而建成纳赫兹引力波天文台，并开启更高灵敏度和更高分辨率的低频射电观测研究新纪元，将我国加快建设成为引力波天文和射电天文的强国。
国际上，其他脉冲星测时阵列合作组，包括欧洲EPTA-印度InPTA、北美NANOGRAV和澳大利亚PPTA也将和国家天文台同一天宣布相类似的结果。NANOGRAV、EPTA-InPTA、PPTA数据积累时间为15~25年，CPTA为3年5个月；具有纳赫兹引力波特征的四极相关信号的置信度，其他3个团队最高为4σ（σ为观测结果的置信度，数值越大置信度越高），而CPTA为4.6σ。未来，这些区域性合作将推进国际脉冲星测时阵列合作，期待脉冲星测时阵列将很快为人类探索宇宙打开纳赫兹引力波观测新窗口。
2023-06-29
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中国天眼FAST发现轨道周期最短脉冲星系统 填补蜘蛛类脉冲星演化模型的缺失一环
北京时间2023年6月21日，国际学术期刊《自然》在线发表中国天眼FAST取得的一项重要成果。研究团队利用中国天眼FAST发现了一个名为PSR J1953 + 1844 （ M71E ）的双星，其轨道周期仅为53分钟，是目前发现轨道周期最短的脉冲星双星系统(图。？天文观测已经发现一些脉冲星处于双星系统中，和其它恒星一起绕转。随着双星系统演化，恒星被大量蚕食后质量变小，脉冲星难以继续吸积并把恒星推开，其相互绕转的速度也就变慢。因为这种行为类似自然界中雌蜘蛛吞食雄蜘蛛供养自身的行为，天文学家就以两种蜘蛛的名字红背( redback )与黑寡妇( black widow )来命名这类天体，统称为蜘蛛类脉冲星( spider pulsar ) 。
北京时间2023年6月21日，国际学术期刊《自然》在线发表中国天眼FAST取得的一项重要成果。研究团队利用中国天眼FAST发现了一个名为PSR J1953+1844（M71E）的双星，其轨道周期仅为53分钟，是目前发现轨道周期最短的脉冲星双星系统(图1)。该发现填补了蜘蛛类脉冲星系统演化模型中缺失的一环。
天文观测已经发现一些脉冲星处于双星系统中，和其它恒星一起绕转。按照已有的天体物理学模型：如果两颗星的距离很近，脉冲星会吞掉身旁这颗恒星的物质，并使自身越转越快。因恒星初始质量较大，随着脉冲星蚕食恒星，两颗星的距离越靠越近，相互绕转速度也越来越快；随着双星系统演化，恒星被大量蚕食后质量变小，脉冲星难以继续吸积并把恒星推开，其相互绕转的速度也就变慢。因为这种行为类似自然界中雌蜘蛛吞食雄蜘蛛供养自身的行为，天文学家就以两种蜘蛛的名字红背(redback)与黑寡妇(black widow)来命名这类天体，统称为蜘蛛类脉冲星(spider pulsar)。
从“红背”(redback)到“黑寡妇”(black widow) 脉冲星-恒星系统的演化过程可长达数亿年。此前天文学界仅探测到分别处于“红背”与“黑寡妇”状态的系统，但并未发现这二者演化的中间状态。原因是在此阶段的脉冲星轨道周期非常短、两个星的距离非常近，对观测提出了极大的挑战。因此蜘蛛类脉冲星从“红背”向“黑寡妇”系统的演化理论尚未完全证实。
借助中国天眼FAST的超高灵敏度和极强探测能力，这一演化路径得到证实。研究团队使用FAST探测到M71E双星系统，长期观测后确定这一系统两颗星绕转一周的时间仅为53分钟，是目前已发现的绕转速度最快蜘蛛脉冲星系统。被确定为是处于红背到黑寡妇系统演化过程的中间状态，填补了蜘蛛脉冲星演化理论的缺失环节(图2)。同时，该双星系统轨道面近乎朝向地球、极为罕见，期待进一步研究有更多发现。
《自然》期刊审稿人评价该成果为发现了一个非常有趣的脉冲星双星系统；这个发现使得脉冲星双星系统的轨道周期最短纪录缩短约30%，预示着蜘蛛类脉冲星演化中存在新的未知过程。
文章共同第一作者包括国家天文台潘之辰、卢吉光和云南天文台陈海亮；通讯作者包括国家天文台姜鹏、韩金林和美国内华达大学拉斯维加斯分校张冰，合作者来自贵州大学贵州射电天文台，云南天文台，上海天文台，国家授时中心，北京大学，中国科学院大学，德国马克思普朗克研究所，美国内华达拉斯维加斯分校等多家国内外单位。
此项研究得到中国科学院“稳定支持基础研究领域青年团队”计划支持，得到国家自然科学基金杰出青年基金、面上项目、联合基金、青年基金，国家重点研发计划和中国科学院青年创新促进会等的资助。
左：红色箭头指示M71E的位置，旁边是球状星团M71；右：来自FAST观测数据的M71E的平均脉冲轮廓和偏振位置角。爱好者高兴提供M71及附近星空的图片。
M71E在伴星质量-轨道周期图上的位置。红色和蓝色的线均表示双星演化理论模拟的路径。M71E处于演化中间状态。
2023-06-21
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我国天文学家建立星系批量高精度测距方法
北京时间6月20日，国际学术期刊《自然·天文》在线发表了中国科学院国家天文台陈孝钿副研究员领衔完成的一项重要成果。研究团队发现双周期的天琴座RR型变星是最好的标准烛光，利用它的两个周期来测量星系距离不再需要元素丰度的信息，这使得星系批量高精度测距得以实现。一百年前，美国天文学家爱德文·哈勃测量了第一个河外星系仙女座大星云的距离，从而确定了河外星系的存在，开创了星系天文学的研究。随着技术的发展，天文学家已经能测量数百亿光年之外的遥远星系的距离，我们也知道了银河系只是浩瀚宇宙中的一粒星尘。当前，天文学家关注的是如何更准地获得一颗恒星、一个星系、甚至整个宇宙的距离。图2 ：本星系群的三维艺术图。
北京时间6月20日，国际学术期刊《自然·天文》在线发表了中国科学院国家天文台陈孝钿副研究员领衔完成的一项重要成果。研究团队发现双周期的天琴座RR型变星是最好的标准烛光，利用它的两个周期来测量星系距离不再需要元素丰度的信息，这使得星系批量高精度测距得以实现。
一百年前，美国天文学家爱德文·哈勃测量了第一个河外星系仙女座大星云的距离，从而确定了河外星系的存在，开创了星系天文学的研究。随着技术的发展，天文学家已经能测量数百亿光年之外的遥远星系的距离，我们也知道了银河系只是浩瀚宇宙中的一粒星尘。当前，天文学家关注的是如何更准地获得一颗恒星、一个星系、甚至整个宇宙的距离。
当我们仰望星空，星星是如此遥远，测量它们的距离通常需要使用量天尺，即标准烛光。标准烛光就像一盏已知功率的灯，它的内在亮度是一致的，当我们离它越远，就会感觉它越暗。我们观测到标准烛光的亮度随距离的平方降低（图1）。恒星中有两种常用的标准烛光：年轻（千万年）的造父变星和年老（百亿年）的天琴座RR型变星。它们的内在亮度分别是太阳的上万倍和一百倍。
我们如何知道这两类恒星的内在亮度呢?这类恒星的亮度是随时间周期性变化的，并且周期与内在亮度之间存在着线性的周光关系。利用周光关系，我们自然就可以得到这两类恒星的内在亮度，然后通过内在亮度与观测亮度的比较计算出距离。
使用这种方法可以得到一个误差为5-10%的天体距离，但如果想得到更准的距离，则需要判断标准烛光是否足够标准。天文学家发现，恒星的内在亮度会受元素丰度的影响，也就是说，拥有不同重元素的恒星具有不同的内在亮度。
因为这个问题，当我们想继续减小天体距离的误差时，就需要测量这些标准烛光的元素丰度。元素丰度的测量成本较高，依靠光谱测量。我国的郭守敬望远镜已经获得了数千万条光谱，是世界上最大的光谱库之一。然而，有光谱测量的天体仍然只是冰山一角。目前只有不到5个河外天体的距离误差小于2%。
陈孝钿研究团队利用我国郭守敬望远镜等数据，首次发现了双周期天琴座RR型变星的多个周期与金属丰度之间的线性关系，进而建立了双周期天琴座RR型变星的周光关系。基于该周光关系，星系的距离误差可以优化到1-2%。
我国空间站巡天望远镜将在未来两年内升空，它将能发现近百个近邻星系中的双周期天琴座RR型变星。利用该成果的方法，高距离精度的星系样本将扩大20倍。届时，我们有望看到一张精细的本星系群的三维直观图象（图2），并能得到一个误差在1%的哈勃常数。
论文链接： https://www.nature.com/articles/s41550-023-02011-y 。
图1：标准烛光艺术图
图2：本星系群的三维艺术图
2023-06-20
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LAMOST发现第一代超大质量恒星化学遗迹
北京时间6月7日，国际学术期刊《自然》在线发表了中国科学院国家天文台赵刚研究员带领的国际团队的一项重要成果。研究团队率先在银晕恒星中发现了第一代超大质量恒星演化后坍缩形成的对不稳定超新星（ pair-instability supernova , PISN ）存在的化学证据。在此之前，理论研究曾预言这种特殊超新星的存在，但从未被观测发现。该成果证实这一超新星源自于一颗质量高达260倍太阳质量的第一代恒星，刷新了人们对第一代恒星质量分布的认知。对不稳定超新星将富含多种元素的物质抛射到星际介质中，并以此形成下一代恒星。
北京时间6月7日，国际学术期刊《自然》在线发表了中国科学院国家天文台赵刚研究员带领的国际团队的一项重要成果。研究团队率先在银晕恒星中发现了第一代超大质量恒星演化后坍缩形成的对不稳定超新星（pair-instability supernova, PISN）存在的化学证据。在此之前，理论研究曾预言这种特殊超新星的存在，但从未被观测发现。该成果证实这一超新星源自于一颗质量高达260倍太阳质量的第一代恒星，刷新了人们对第一代恒星质量分布的认知。
第一代恒星给宇宙带来第一缕曙光，是终结黑暗时代的起始点，主导着早期宇宙化学增丰过程和演化历史。理论预言第一代恒星的寿命极短，只存在于高红移的宇宙之中，因此直接观测到第一代恒星的难度极大。长期以来，银河系考古领域一直致力于通过贫金属星来研究第一代恒星，部分极贫金属星（金属含量低于太阳的百分之一）可能诞生于第一代恒星终结时形成的气体云，其化学丰度完整保留了第一代恒星演化产物的特征，从而使我们能够利用这些“活化石”揭示第一代恒星的演化历史。
理论研究表明第一代恒星的质量可以达到太阳质量的数百倍，但人们一直未能从观测上发现相关证据。通常发现的极贫金属星保留了核坍缩超新星（core-collapse supernova, CCSN）的核合成产物，但这些超新星的前身星普遍小于100倍太阳质量。对于质量介于140-260倍太阳质量的第一代恒星而言，其核心处产生的正负电子对会减弱恒星内部辐射压力，并导致恒星坍缩形成一种特殊的超新星，即PISN。与核坍缩超新星相比，PISN产物具有极为特殊的化学组成，在其演化后形成的气体云中诞生的第二代恒星会展现出极其罕见的化学丰度模式。
论文第一作者邢千帆博士介绍，研究团队结合郭守敬望远镜（LAMOST）低分辨率光谱和日本昴星团（Subaru）望远镜高分辨率光谱数据发现了一颗化学丰度极为特殊的恒星（LAMOST J1010+2358），它是具有目前已知最低的钠含量。该恒星的化学丰度还显示出了强烈的“奇偶效应”，即原子序数为奇数的元素含量远低于相邻的原子序数为偶数的元素含量。此外，该恒星基本不含锶、钡等中子俘获元素，几乎未受到中子俘获过程的影响。这些化学丰度特征无法通过核坍缩超新星理论模型解释，却与260倍太阳质量的PISN理论计算结果高度吻合（见图1）。这一发现首次从观测上证实了PISN的存在，并为第一代超大质量恒星（超过100倍太阳质量）形成和演化的观测研究指明了方向。同时，PISN的前身星质量大、寿命短，小于300万年，在其爆发后诞生的恒星极可能是迄今发现的最为古老的第二代恒星。
论文通讯作者赵刚研究员称，此项研究从观测上证实第一代恒星的质量可以达到太阳质量的数百倍，揭示了PISN在宇宙早期化学增丰过程中的贡献，对研究第一代恒星的初始质量函数意义重大，并将对元素起源、宇宙早期的恒星形成和星系化学演化等方面的研究产生深远影响。
国家天文台赵刚团队长期从事天体丰度的研究工作，建立了大规模贫金属星的高分辨率光谱观测样本，完成了对其化学丰度的系统性定量分析，为这一发现提供了坚实的基础。
哈佛大学前天文系主任阿维·勒布（Avi Loeb）称：“发现PISN的证据是贫金属星研究领域的圣杯之一。”
《自然》期刊审稿人评价该成果第一次为PISN与银晕恒星化学丰度之间的联系提供了决定性证据。未来我们期待能够利用LAMOST和中国空间站工程巡天望远镜发现更多化学丰度特殊的恒星，使我们可以通过对第一代恒星遗迹的分析，进一步确定恒星初始质量函数，加深对银河系演化历史的理解。
此项研究得到国家自然科学基金委基础科学中心项目、国家重点研发计划项目和中国科学院青年创新促进会等的资助，主要合作单位包括中国科学院云南天文台、日本国立天文台和澳大利亚莫纳什大学。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06028-1。
图1：化学丰度特殊恒星LAMOST J1010+2358与超新星模型的比较。红色圆点代表LAMOST J1010+2358的元素丰度，黑色实线分别表示前身星质量为10倍太阳质量的核坍缩超新星(a); 85倍太阳质量的核坍缩超新星(b); 260倍太阳质量的对不稳定超新星(c)。
图2：第一代超大质量恒星演化成为对不稳定超新星的艺术展示图。对不稳定超新星将富含多种元素的物质抛射到星际介质中，并以此形成下一代恒星。
2023-06-07
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中国天眼FAST联合国际巨镜揭示快速射电暴的磁场反转
北京时间5月12日，国际科学期刊《科学》发表了围绕中国天眼FAST发现的最新成果，中国科学院国家天文台领导的国际合作研究论文“一个重复快速射电暴周湍动环境中的磁场反转” ，揭示了快速射电暴可能的双星起源。“重复快速射电暴周围磁场的湍动成分可能像毛线团一样杂乱无章” ，论文的合作者云南大学杨元培教授解释道。该发现表明快速射电暴源周围的磁化环境存在剧烈演化，为揭示快速射电暴的起源和环境迈出了重要一步。未来，对于中国天眼发现的FRB 20190520B的持续监测有望进一步揭示快速射电暴的起源和环境。
北京时间5月12日，国际科学期刊《科学》发表了围绕中国天眼FAST发现的最新成果，中国科学院国家天文台领导的国际合作研究论文“一个重复快速射电暴周湍动环境中的磁场反转”，揭示了快速射电暴可能的双星起源。
快速射电暴（FRB）是在无线电波段宇宙中最剧烈的爆发现象，其物理起源未知，是天文学领域重大热点前沿之一，也是中国天眼FAST的核心科学目标之一，富含科学机遇。国家天文台李菂研究员（共同通讯作者）组织国际团队，利用美国绿岸望远镜和澳大利亚帕克斯望远镜对世界首例持续活跃快速射电暴FRB 20190520B进行了17个月的长期监测。FRB 20190520B由李菂研究员领导的“FAST多科学目标同时巡天”于2019年首次发现，已经催生了一系列重要成果，包括发表在《自然》和《科学》的论文，入选了2022年度“中国科学十大进展”。在此次全球国际合作监测中，西悉尼大学代实研究员（共同第一作者）利用澳大利亚帕克斯望远镜和西弗吉尼亚大学Anna-Thomas（共同通讯作者；共同第一作者）利用美国绿岸望远镜探测到FRB 20190520B的多次爆发。利用这些长期监测数据，之江实验室冯毅研究员（共同第一作者）等细致分析了爆发信号的偏振性质，发现其法拉第旋转量经历了两次正负值剧烈转变的过程，揭示了重复快速射电暴周边存在磁场反转。
这种以月为时间单位的极端反转，很可能由伴随快速射电暴的大质量天体造成。快速射电暴信号穿过大质量恒星星风甚至黑洞喷流造成的磁化等离子体环境，随着双星相互绕转发生信号磁特征的方向反转。 “重复快速射电暴周围磁场的湍动成分可能像毛线团一样杂乱无章”，论文的合作者云南大学杨元培教授解释道。该发现表明快速射电暴源周围的磁化环境存在剧烈演化，为揭示快速射电暴的起源和环境迈出了重要一步。未来，对于中国天眼发现的FRB 20190520B的持续监测有望进一步揭示快速射电暴的起源和环境。
2023-05-12
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