射电波段的前沿天体物理课题及FAST早期科学研究.doc
《射电波段的前沿天体物理课题及FAST早期科学研究.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《射电波段的前沿天体物理课题及FAST早期科学研究.doc(14页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、项目名称:射电波段的前沿天体物理课题及FAST早期科学研究首席科学家:起止年限:2012.1-2016.8依托部门:中国科学院一、关键科学问题及研究内容FAST的建成将是中国首次在射电这一重要天文频段拥有最先进的望远镜。与其他射电望远镜相比,FAST在设计理念及工程概念上具有创新性:利用天然的喀斯特洼坑作为台址、数千块可调节的单元构成500米球冠主动反射面、采用轻型索拖动机构和并联机器人实现馈源接收机高精度指向跟踪及定位;突破了望远镜的百米工程极限,实现了造价大幅度降低。FAST的设计和建造综合体现了我国的高技术创新能力。FAST座落于射电环境宁静的贵州喀斯特洼地,并具有世界上最大的连续孔径,
2、它必将对天文学产生非同寻常的影响。与最接近它的先驱Arecibo望远镜相比,FAST的原始灵敏度要好2.5倍,巡天速度要高10倍,并将覆盖23倍多的天区。FAST在多项指标上将比国际前沿设备提高一个量级,并且有能力探索新的参数空间,因此很可能获得预料之外的发现。天文学是由观测主导的学科。FAST的波段从70MHz到3GHz覆盖了以下对天体物理至关重要的观测量(按预期占用FAST观测时间排序): 原子氢线(HI)、脉冲星、多种分子和其他原子谱线、脉泽源和射电连续谱。通过对这些可观测量的系统及探索性研究,我们将集中在四个射电天文的大方向上作扎实的工作,力争在四个方面的研究上取得突破:1)宇宙学和星
3、系演化;2)星际介质和恒星形成;3)脉冲星物理和应用;4)行星射电辐射。对应的主要观测量为:1)HI和射电点源;2)HI和谱线及脉泽;3)脉冲星;4)射电连续谱。本项目的规划完全立足于使用已有设备的科研经验作有根据的展望。下面大体依据可观测天体的天文距离由远而近的顺序来介绍研究内容, 最后介绍关键技术开发(接收机)和FAST的早期科学设想。1)宇宙起源和星系演化宇宙起源、天体起源和生命起源是自然科学中的首要问题,它们可通过大型单天线射电望远镜来探究。凭借FAST空前的接收面积、大天区覆盖及顶级的接收机系统,通过在低频射电波段对物质和能量进行精确测量,可为探究这些问题做出独一无二的贡献。 在射电
4、频段,望远镜能够观测的宇宙气体主要成份是中性原子氢(中性氢,HI)。含气体的星系在光学波段的可见度取决于其恒星形成历史,通过巡天对气体宇宙进行完整普查,将提供独立于基于光学观测的宇宙学和星系演化的信息。基于冷暗物质模型(CDM)的大尺度结构模拟已经取得了广为接受的成果(例如Springel et al., 2005, Nature, 435, 629),是宇宙学研究中的一个激动人心的进展。但是需要特别注意的是,这些模拟是在不知道暗物质和暗能量实际成份及物理状态的条件下进行的。通过把预言的结构与可观测物质的分布进行比较,才可以检验相关的宇宙学关键参数。目前,失踪伴星系问题,即观测中小质量晕数量较
5、暗物质模拟的预言偏少仍是这种比较检验中的一个未解之谜。考虑到我们对恒星形成知识的不确定性,以及模拟中对恒星形成非常粗略的处理,这些晕的恒星成份基本上是未知的。因此,通过一个能达到更小质量完备极限的中性氢巡天,FAST能极大地增加我们对宇宙起源的认识。中性氢功率谱和红移的关系是研究星系演化的重要信息。尽管FAST难以探测较高红移(z1)星系的中性氢,但有可能探测到星系团的中性氢发射(Chang et al., 2010, Nature, 466, 463)。另外一个巡天模式是定点观测已知红移的源。Catinella等人(2008, ApJ, 685, L13)使用Arecibo望远镜数小时积分,
6、探测到了红移约为0.25的大质量盘星系。在同样的观测时间内,FAST将使这些定点巡天的样本量提高一个量级。我们的研究内容主要是总结目前河外中性氢巡天的数据,力争有创新地研究其在宇宙学上的意义。建立有预见能力的宇宙学和星系演化模型,解释HI和射电源观测。在总结的基础上,对有特别意义的天体群如超亮矮星系,申请国际观测时间,争取新发现。2)星际介质和恒星形成FAST将是研究银河系的一个强有力的仪器。可以通过观测包括中性氢21厘米谱线、射电连续谱和复合线在内的不同种类的射电信号研究星际介质。氢是宇宙中最丰富的元素,1420.405MHz处原子氢的超精细跃迁是探测它的主要手段。对银河系及邻近星系进行系统
7、的中性氢巡天是FAST的主要科学目标之一。 目前已有的全天的银河系中性氢巡天的分辨率大约为36角分(Hartmann & Burton, Atlas of Galactic Neutral Hydrogen, 1997)。世界上主要的射电综合孔径望远镜已经完成了若干对银道面的巡天,这包括加拿大银道面巡天(Canadian Galactic Plane Survey, CGPS, English et al., 1998, PASA, 15, 56)、甚大阵银道面巡天(VLA Galactic Plane Survey, VGPS, Stil et al., 2006, AJ, 132, 115
8、8)和南天银道面巡天(Southern Galactic Plane Survey, SGPS, McClure-Griffiths et al., 2005, ApJS, 158, 178)。这些巡天覆盖了赤纬约+/-1.5度之内银盘的大部分赤经范围,巡天的空间分辨率约1角分、速度分辨率约1km/s。美国的研究团队正在使用Arecibo焦面阵(Arecibo Focal Plane Array,ALFA)进行银河系选定区域的大天区中性氢成图观测,包括金牛座分子云和麦哲伦流。Arecibo中性氢观测的空间分辨率约为3.5角分,速度分辨率约为0.1km/s。FAST将使用19波束馈源阵进行银河系
9、中性氢成图观测,其巡天速度将比Arecibo快10倍,空间分辨率将提高约30,天区覆盖大23倍。因此,FAST中性氢巡天将提供一个在其可见天区内银河系中性氢的全面图像,几乎好于现有的所有巡天。新恒星在致密星际介质中产生。恒星和行星的形成是地球文明得以产生的基础。以太阳为代表的小质量恒星构成了银河系中恒星物质的主体。小质量恒星的长寿命和大数量为人类世界的演化提供了稳定的环境,并可能确定了演化的时标。年轻恒星通常可以直接在红外到紫外波段被看到,而射电望远镜特别适合于研究星际介质(ISM)和恒星诞生地的状态。对于河内观测,FAST的接收面积和L波段接收机使其能以高于0.1 km/s的速度分辨率(频谱
10、分辨0.5kHz),捕捉超过1000 km/s速度范围内的中性氢辐射。也就是说,FAST在频域拥有4个数量级的动态范围。这样的高分辨率使细致研究小质量星形成成为可能,为在邻近区域开展该方面研究提供了有利条件。这其中一个主要的领域是通过吸收谱研究原子氢中冷的成份,这些吸收谱包括中性氢自吸收(HI Self-Absorption, HISA, 例如Gibson et al., 2000, ApJ, 540, 851; Knee & Brunt, 2001, 7, Nature, 412, 308)、中性氢窄自吸收(HI Narrow Self-Absorption, HINSA, 例如Li & G
11、oldsmith, 2003, ApJ, 585, 823)及对背景连续谱源的吸收。大的光谱动态范围有助于在速度空间将冷气体从星系的中性氢背景里分离出来,并提供其激发条件的信息。这些吸收特征示踪了原子氢的冷却及原子氢结合成分子氢的历史,这是恒星形成的必要步骤。 大质量星占据了星系质量的小部分并且寿命较短,但它却主导了宇宙学和星系尺度物质的动力学过程及演化。与小质量恒星形成相比,我们对大质量恒星形成所知更少。大质量恒星形成的初始条件及其形成过程中的坍缩和物质喷发都有待于进一步研究。与大质量恒星相伴的核合成及尘埃形成造就了现在存在的大多数重于氦的元素。FAST提供的四个量级的光谱动态范围使我们可以
12、细致观察大质量恒星形成的动力学过程和大质量星多其环境的反馈影响。“巨泡”和“烟囱”结构是在银盘尺度上动力学相干结构的例子,它们可能与大质量恒星的形成和死亡都有联系。研究这些结构的物质和能量组成将提供星际介质演化的整体图像。我们研究的内容主要是发展对河内中性氢观测和分析的创新手段,例如,氢的窄线吸收(HINSA)。通过系统的研究现存河内HI巡天,合理的定义FAST的关键课题。发展和完备对射电波段内各种谱线的认识,探索射电复合线、脉泽等在天体物理上的应用。3)脉冲星物理和应用脉冲星是大质量恒星演化的最终产物,找到它们需要使用具有较高的频率和时间测量精确性的射电望远镜。Arecibo和其它现有的射电
13、望远镜将它们的相当一部分观测时间用于脉冲星搜索。FAST将把这些搜寻扩展到前所未有的灵敏度和天空覆盖,从而为研究银河系中大质量恒星的死亡提供新的信息,如由脉冲星的逃逸速度反推超新星爆发的信息等。脉冲星也被认为是极端密度、磁场和奇异物态条件下物理的实验室。脉冲星所提供的精确时间信号也已被用于宇宙尺度引力波的探测,这将可能开启一个观测宇宙的新窗口。FAST可搜寻毫秒脉冲星、双星系统中的脉冲星、双脉冲星、银河系外脉冲星等。FAST使用多波束接收机进行巡天预计一年内将发现几千颗银河系内的脉冲星。如此大规模的巡天很可能发现有趣且极端奇异的天体。在这些可能的发现中,最重要的是脉冲星-黑洞双星系统。对它的观
14、测将得到黑洞的精确信息。此外,FAST还可能发现亚毫秒脉冲星和质量明显大于1.4倍太阳质量的脉冲星。这将限制超核物质密度下的物态方程,并进一步提供强相互作用的信息。从这一点上看,脉冲星是研究引力相互作用和强相互作用的独特实验室。 FAST所发现的大量脉冲星可用于研究恒星的晚期演化和超新星过程以及研究星际介质分布的精细结构等。在FAST建成初期的调试阶段,有望发现仙女座星系M31中的几十颗脉冲星。FAST也可能发现本星系群中的其它星系(如M33)内的脉冲星。Smits等人(Smits et al., 2009, A&A, 505, 919)使用PSRPOP软件进行了FAST L波段脉冲星巡天蒙特
15、卡洛模拟,表明FAST将探测到5000颗脉冲星,其中4000颗将是新的发现。新发现毫秒脉冲星的数量约为总数的1/10。脉冲星本身具有精确的守时特性,这使其成为探测广义相对论预言的引力波的独特手段。FAST将进行最精确的脉冲星计时观测,这将大大提高探测来自大质量双黑洞和大爆炸的引力波的灵敏度。经过5年的高精度(约30ns)计时观测,FAST将探测到背景引力波,或者排除现有的大质量双黑洞和宇宙弦模型。如果FAST加入到国际脉冲星测时阵(IPTA),这一时间还可能提前。我们研究的主要内容是发展和完善自己的脉冲星观测手段。这包括,研发新型脉冲星接收机和数字终端,并应用到国内现有射电望远镜上。研究脉冲星
16、的辐射机制和内部物理,理解脉冲星时钟信号稳定性,探索其作为引力波探测器和导航工具的特点等。4)行星射电辐射太阳系内五颗行星(地球、木星、土星、天王星和海王星)有非热射电辐射。它们的辐射机制没有定论。经验地讲,辐射的极光功率(aural power)和太阳风动力学功率(kinetic power)有幂律相关关系(Desch & Kaiser, 1984, Nature, 310, 755)。最近十年,地外形星的大量发现,特别是超大木星的发现,使搜寻系外行星的非热辐射成为可能。迄今为止,已使用几乎所有低频射电望远镜进行尝试,还没有肯定的结果。这可能是仪器的各种非统计噪声如RFI,更可能是超大木星具
17、有完全不同的磁场或辐射机制。 本项目首席李菂研究员在2009年的欧洲地质学会邀请报告中提出,FAST可以在10分钟内探测到一个10pc距离上的正常木星系统。FAST的高灵敏度,使得频繁及长期监测成为可能。这样,我们可以用时变信号克服系统噪声和干扰。如果成功,FAST甚至能提供系外行星的自转信息。这是一个带有很大探索性和不确定性的题目。但是系外行星的不断大量发现,尤其是大量类地行星系统的发现 (Kepler天文台的最新结果),使得这种探索方向有了合理的希望。5)关键技术开发射电望远镜系统中与天文信号最直接相关的是接收机。在望远镜大小和精度相对确定的条件下,接收机技术可以对灵敏度和成像速度产生数量
18、级的影响。FAST项目设计中的接收机已由FAST项目经费支持。但是我们仍需跟踪接收机技术的发展,预备研制下一代的接收机,才能保持技术上的先进。最新的焦面相位阵(PAF)技术,可以进一步扩大视场,观测速度和巡天效率比多波束接收机提高一个量级。同时这项技术可扩大FAST的可视天顶角,使其可观测到银河系中心。美国、荷兰、澳大利亚等已研制出PAF的样机,将用于中性氢的巡天。本项目的主要研究内容是跟踪和发展国际上最新和有希望应用到FAST升级中来的接收机技术,特别是焦面相位阵和相位阵在VLBI上的应用。6)FAST早期科学 FAST结构的创新性与复杂性对其科学运行提出了挑战,尤其是早期试运行阶段。我们计
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 射电 波段 前沿 天体 物理 课题 FAST 早期 科学研究
链接地址:https://www.31doc.com/p-5021725.html