骄傲丨中国人第一次用自己的望远镜找到新脉冲星！FAST首秀实力不 “中国天眼”有望开启中国射电天文学10

昨天（2017年10月10日），中国科学院国家天文台发布消息，宣布科学家们使用位于贵州的FAST望远镜找到了2颗新的脉冲星。

发布会上提到，其实已经发现6颗，不过由于发布会是几周前开始准备的，所以只发布了2颗。

这是中国人第一次使用自己的望远镜找到新的脉冲星。

脉冲星可谓宇宙中最为神奇的天体之一。

为什么这么说？

因为对脉冲星进行观测，不仅能够研究脉冲星自身的极端物理状态，还能对星际介质、银河系磁场、引力波等目标进行研究。也正因为脉冲星的特殊性，诺贝尔物理学奖两度授予了脉冲星相关发现（发现第一个脉冲星；发现第一个双星系统中的脉冲星，并利用它很好地验证了引力波辐射理论）。

上边部分展示的是一颗旋转中的子中星及其两个辐射束。下边部分红点指示对应时刻我们看到的中子星的亮度。黄色曲线是中子星旋转一周的亮度变化。图源： http://www.ligo.org/science/Publication-S6VSR24KnownPulsar/

脉冲星的特殊性，以及FAST在脉冲星搜寻中的优势，使得寻找未知脉冲星成为FAST重要的科学目标之一。

那么，FAST目前是怎么找脉冲星的呢？说起来，这不仅是个技术活，还是个体力活。

漂移扫描观测

我们知道，FAST可以通过调节馈源仓位置和面板形状来调节望远镜指向，从而观测天空中某个特定的位置。不过，在FAST建成早期，望远镜的各个系统还不能很好地运行，指向调节尚不灵活，所以，科学家们通常使用一种称为“漂移扫描”的方式来进行观测。

所谓的“漂移扫描”其实很简单，和“守株待兔”的思路有点像。就是望远镜不动，比如固定地指向天顶，然后等着天体东升西落，自己运动到望远镜的视野里面。使用“漂移扫描”，望远镜只能盯着某个赤纬（天球坐标系中的赤道坐标系的纬度，类似于地理经纬线在天上的投影），所以只能观测到这个赤纬上的源。随着时间的推移，这个赤纬上的天体就会依次被望远镜所观测到。那如果我们想看其他赤纬的天体怎么办？那就得挪望远镜指向，让它指到其他赤纬上（FAST早期只是动得不灵活，不是不能动）。

通过“漂移扫描”，我们的FAST不用怎么动就能对天空中不同的位置进行扫描。

不过用这种方式进行观测有个不好的地方，就是每次天体经过望远镜视野的时间很短，对FAST来说，最长也就1分钟不到的时间。观测时间短，就意味着我们只能看一些比较亮的天体。好在我们的FAST够大，很多其他望远镜觉得暗的天体，对FAST来说都是“比较亮的”。

说了这么多，我们要寻找的脉冲星在哪儿呢？

人们是大概知道脉冲星在银河系里面的分布的，即：主要分布在银盘和球状星团中。FAST在进行“漂移扫描”的时候，是会“扫”过银盘的（也可以扫过球状星团。只是球状星团尺度很小，我们扫过它的概率比较小）。我们对相应的数据进行分析，就会更有希望找出新的脉冲星。

这是光学波段整个天空的照片，正中央是银心所在。图中白色圆圈指示的是此次发现的其中一颗脉冲星J1859-0131在银河中大致的位置，黄圈则是发现的另一颗脉冲星J1931-01的位置。

脉冲星数据

在漂移扫描过程中，我们需要记录能够用来进行脉冲星搜寻的数据。这需要满足两个要求：一、足够高的时间分辨率；二、一定的频率分辨率。

一般地讲，我们会周期性地看到脉冲星发出的脉冲信号。相邻两个脉冲信号之间的时间差（所谓的脉冲周期），在1.4毫秒到23秒之间不等。而脉冲信号的宽度，通常只有这个时间差的十分之一。只有数据的时间分辨率足够小，我们才能探测到随时间快速变化的脉冲星信号。

我们知道，电磁波有不同的频率。最直观的感受，就是自然光能够被分为彩虹色，不同颜色就是不同频率的电磁波。在记录用作脉冲星搜寻的数据时，因为后续数据处理的需要，我们要将不同频率的电磁波分成多份记录，也就是要记录光谱数据（一般叫做频谱）。如果分的份数多，那频率分辨率就高，能更好地探测不同频率信号的变化。脉冲星数据要求划分一定的份数，但不用太多，够用就好，这里对选取标准就不细讲了。

所以，最后我们得到的会是什么样的数据呢？就是一条条连续的频谱，且相邻两条频谱的间隔时间很短，一般只有几百或者几十个微秒。

这是全天最亮脉冲星Vela 一段约0.6秒长度的真实数据，横轴是时间（单位是秒），纵轴是频率（单位是兆赫兹），颜色表示强度。其中一条条斜线是Vela发出的脉冲信号。这就是我们存储下来的脉冲星数据应有的样子，只不过我们保存下来的是一组数据表格，而不是这样的图片。图源：http://public.ska.ac.za/kat-7/kat-7- src="http://img5.shadafang.com/img.php?http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/e6HnPoBmYyodoC8ib0ezFhtibU01UCibw8rlpBuW9TzAALpbpiavgcM5icgxLIN6yqxEyt4YoEdl59QCiaq5pEkicRpnA/0?wx_fmt=jpeg" />

Vela脉冲星总功率随时间变化图，一条条高出来的细线就是脉冲星单个脉冲信号。上面是没有消色散的，下面是消色散之后的。可见消色散之后信号明显了非常多！图源：http://public.ska.ac.za/kat-7/kat-7- src="http://img5.shadafang.com/img.php?http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/e6HnPoBmYyodoC8ib0ezFhtibU01UCibw8rRZvgKhM657Nib2UWoNdGFMVFkn9ZzU7Pq5JUZ5CtZjdYAfjecrwMyHQ/0?wx_fmt=jpeg" />

对脉冲星B1550-54消色散后的数据进行傅里叶变换得到的结果。横轴是傅里叶变化之后得到的频率（这里的频率是指信号变化周期的倒数，不是电磁波频率）信息。这颗脉冲星的周期大约是1秒，所以在1赫兹（Hz）的地方有条很明显高出来的线。其他的线是脉冲星信号的谐波。图源：http://sigproc.sourceforge.net/seek/

然而很多时候我们是没那么幸运的，脉冲星真得太暗了，我们并不能看到图五那么明显的线。更不用说大多数时候我们的望远镜根本就没对准某颗脉冲星。

一般情况下，经过消色散、找周期之后，我们可以找到大量具有一定色散效应的、有周期性的、看着好像是脉冲星信号的候选体。

虽然现在有软件可以帮我们筛选出比较像脉冲星的目标，但最终我们还是需要通过肉眼查看每个候选体相应的参数（一般就是一张结果图），才能做出准确的判断。

毫不夸张地说，看过几万张数据结果图后，能找到一颗未知的脉冲星，就谢天谢地了。

单脉冲

有少数的脉冲星，他们的辐射因为某种原因断断续续的，导致我们看到的脉冲信号显得没有规律。这种时候，如果我们拿找周期的方法去找，往往是找不到的。这类脉冲星，我们只能在消色散过后的数据中，找信噪比大的信号。此前火过一阵的快速射电暴，就是通过消色散后找单脉冲找到的。

可以透露的是，FAST也对数据进行了单脉冲的查找，并且已小有收获，敬请期待。