CB821800 射电波段的前沿天体物理课题及FAST早期科学研究Word文档下载推荐.docx

1、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

2、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

3、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，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

4、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（Hartman

5、n & 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, 1158）和南天银道面巡天（Southern Galactic Plane Survey, SGPS, McClure-

6、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

7、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

8、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 & Goldsmith, 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

9、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

10、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

11、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

12、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。

13、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

14、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

15、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，

16、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。我们计划在这一阶段（大约612个月）集中完成几个早期科学项目，争取在所有接收机到位且所有观测模式可运行之前，利用FAST的高灵

17、敏度取得一些发现。 搜寻空间新分子和新谱线随着射电天文学的发展，人类已经知道了星际介质的基本组成。射电天文的关键性的发现中包括最早发现的星际中性氢和最早发现的星际分子羟基。一个完整的星际分子谱线列表对这一领域的研究是非常重要的。谱线搜寻是毫米波段的一个主要观测模式，由此找到了大量分子谱线，特别是分子转动跃迁的谱线。在低频射电波段，还没有进行完整、系统的谱线搜寻。最近Arecibo望远镜对星暴星系Arp220的观测中，找到了前生物分子亚甲基胺（Methanamine，CH2NH）。猎户座分子云是距离地球最近的恒星形成区，具有高气体柱密度和有效的激发源，其中心致密区域一直是研究星际介质成分的重要场

18、所。猎户座分子云是FAST重要的河内分子云搜索目标之一，它在Arecibo的可观测天区之外。早期科学阶段，我们计划用FAST所有可用的波段观测猎户座分子云，通过若干小时的积分达到mK的灵敏度。对比FAST对猎户座分子云的观测与Arecibo对Arp 220的观测将会是十分有趣的，可以借此了解河内恒星形成区与明亮红外星系的星际分子谱线的来源。这个探索性的观测有可能发现新的负离子大分子如C10H-。与C10H-结构类似的较小分子最近刚在星际介质中被观测到。 中性氢星系巡天 使用快速扫描模式搜索中性氢星系将是十分有效的，Arecibo的ALFALFA巡天已经证实了这一点。由于天区覆盖与扫描速度成正比

19、，而噪声的下降速度与积分时间的平方根成正比，所以，要有最好的科学产出即探测到最多的星系，巡天需使用较短的积分时间。大规模的中性氢全面巡天需要焦面阵馈源并采取快速扫描模式。但是在早期科学阶段，我们需要的是对若干目标源的深度积分，目的是测量星系团和星暴星系的气体成分。这些天体中的中性氢含量是星系演化和宇宙学的基本参量，但由于现有仪器的灵敏度不够，我们对此知之甚少。FAST的高灵敏度有望在这一方面实现突破。我们还需要准备一个观测目标列表，特别是在Arecibo天区之外具有独特特征的天体。在室女星系团的距离上，几个小时的积分观测将探测到106太阳质量的中性氢。这将为中性氢质量函数的低质量端提供前所未有

20、的信息。 脉冲星巡天 同中性氢一样，使用焦面阵馈源进行脉冲星的大规模巡天才会更有效率。在早期科学阶段，应该开始监视毫秒脉冲星。FAST的高灵敏度和大天区覆盖将使其能监视大部分已知的毫秒脉冲星。毫秒脉冲星计时信号的波动携带着引力波的信息，应从早期科学阶段开始对其监视。对近邻星系脉冲星搜索也应尽早展开，FAST很可能第一个探测到河外脉冲星。综上所述，我们计划能在早期科学阶段在主要科学领域进行少数几个仔细选定的观测项目。这些早期科学项目将用于测试望远镜性能和基本的观测模式。借助于FAST的高灵敏度和大天区覆盖以及科研队伍的准备，力争在FAST运行的前6个月取得重要的科学发现。二、预期目标围绕低频射电

21、的五类主要可观测量，配合FAST这一国家重大基础科学装置的建设, 本项目预期在四个重大天体物理前沿取得大量成果和一定的突破。这个预期总目标通过六个有机联系的课题组，几十个具体的科研课题来完成。技术细节由各课题分别阐述，成果由预期过百篇的国际一流学术刊物论文、接收机技术报告和样机、培养约30名研究生以及23名有国际能见度的FAST射电天文学者（FAST Fellow of Radio Astronomy）来体现。总体的讲，我们计划在五年内完成如下任务：1）系统获取、总结并分析现有的国际射电巡天数据。2）发展有自主创新的观测、分析和模型方法。3）获取宇宙学、星系演化、恒星形成、脉冲星机制等关键方向

22、的研究成果，力争重大突破。4）有效的参与国际望远镜时间的竞争，在相关方向取得国际领先的学术地位。5）明确定义FAST早期科学关键项目，对选源和观测模式等给出系统的指导依据。 这些任务的完成将树立本团队在相当一批科研方向的国际领先地位，为FAST建成后由中国科学家领导的早期科学目标做恰当的准备。三、研究方案基于FAST的特点，我们选取了低频射电天文中的重大前沿方向进行研究。本973的时间与FAST的建设时段正好交叠，所以要与望远镜建设有机互动，但是研究方案是基于已有的设备、数据和前瞻性的理论研究。具体的方案已在课题任务书中详细阐述。这里总结如下：1）尽量完整的获取国际现存最先进的巡天观测数据。方

23、法包括 a）调研和整理公开释放的数据库，例如 Arecibo ALFA surveys、Spitzer legacy programs、VLA sky surveys等；b）通过国际合作取得第一手资料如Arecibo Key programs、 Herschel Key programs、Taurus Legacy Surveys等。本项目成员有相当数量的国际合作项目首席（PI）和成员（CoI）,有条件完成这一国际合作任务；c）利用国内的新仪器如青海德令哈13.7米望远镜的多波束接收机开展巡天观测。我们首创并正在发展的氢的窄线自吸收方法已被应用到天体化学领域来测量分子云形成时标、约束超新星遗迹

24、距离以及标定宇宙学和星系演化模拟等方向上。本项目的研究方案的重点是继续发展和开发有特色的科学方法。利用这些新方法在现存数据里取得新发现，并有针对的指导FAST关键项目的创建。3）紧扣射电数据，发展理论模型。例如，清华大学楼宇庆团组已经发表了云核塌缩模型。我们会将这个模型拓展到射电谱线，特别是HI和OH上，以期直接解释观测数据，并有重要的物理结果。在宇宙学方面，我们要发展有预见性的宇宙学模型，以解释并指导诸如HI功率谱、射电源统计等重要观测新领域。4）基于第一手的观测和分析经验，为FAST运行做扎实的准备。本团队预期成为FAST的主要科学用户，会指导并完善FAST关键观测项目的构建、目标源列表创

25、建以及提出观测模式的具体要求等。课题设置依据973指南的要求，综合考虑FAST相关领域及国内现有人才，本项目设置六个研究内容紧凑、相互依赖并促进的研究课题。课题间通过FAST的可观测量（中性氢、脉冲星、分子谱线等）和观测技术（盲探、计时、成图等）有机结合。具体的，课题1成员正在与课题6成员共同开发脉冲星数字后端。课题2和3都主要基于中性氢的观测，而中性氢的理论和模型解释是课题4的重点之一。课题2和课题5有接近的观测技术要求和目标，综合两课题的成果，有可能对恒星形成的完整演化过程给出重要图像。1. 脉冲星射电观测与理论研究课题负责人：徐仁新承担单位：北京大学主要研究内容和目标：脉冲星形成与演化、

26、星族合成、毫秒脉冲星的起源等；同时借鉴国际上目前三大脉冲星阵的经验，建立脉冲星阵的科学队伍并考虑国内已有设备及FAST来研讨中国脉冲星阵方案。主要学术骨干： 袁业飞、张承民、袁建平、岳友岭经费比例：112. 从原子到恒星：星际介质及恒星形成的射电研究李菂中国科学院国家天文台研究星际介质从原子到分子的转化，发展观测冷原子氢的新方法。通过多波段观测揭示大质量恒星形成的物理和化学过程。探讨用FAST探测太阳系外行星的可行性。吴月芳、楼宇庆、田文武、加尔肯、周建军、钱磊、李会贤223. 星系结构和星系演化 朱明通过分析大规模多波段巡天数据，研究星系演化的主要疑团，包括重子缺失和失踪伴星系等。系统探测星

27、系气体成分，研究气体星系演化。吴宏、胡剑、肖莉、朱轶楠124宇宙学和暗物质朱宗宏北京师范大学研究中性氢在不同红移的观测特征及其在宇宙学和暗物质研究上的重大意义。研究暗物质小尺度和大尺度结构。通过系统研究矮星系检验冷暗物质模型。张同杰、董小波、张明5射电光谱和脉泽源 王均智南京大学通过总结FAST波段里所有的辐射谱线，研究天体化学、银河系结构和恒星形成。朱青峰、张江水、李娟106. 低频多波段接收机和VLBI的设计预研金乘进开展低频PAF单元及阵列仿真分析，给出各单元间互耦和各观测模式下波束形成所需的幅度和相位因子。对PAF馈电单元的插损等电性能进行仿真分析。开展小型化低噪声放大器研制。掌握常温

28、及制冷放大器仿真设计、组装工艺及测试方法。提出自主研制的技术方案。开展数字波束形成技术的研究。进行多通道模数转换和数字滤波研究，并以研究宽带数字波束形成算法研究和实现方法。针对不同观测模式，提出数字波束形成网络的技术方案。进行多波束VLBI数据记录终端研制，研究不同波束之间的相对相位关系和数据记录方式。彭勃、刘鸿飞、沈志强34四、年度计划研究内容预期目标第一年1. 搜集整理现有巡天数据，包括河内和河外的中性氢和谱线数据。2. 学习改进数据处理分析软件和方法。3. 开发河内及河外中性氢的理论模型。4. 在云南40米望远镜进行脉冲星观测试验。5. 发展引力波和引力透镜理论。进行模拟研究。6. 进行

29、接收机现状调研和FAST低频接收机需求分析。1. 建立中性氢和谱线数据库。2. 掌握数据处理和分析软件。3. 建立中性氢的理论模型。4. 观测到脉冲星，积累计时观测数据。5. 产生出红移小于3的物质三维分布，处理和分析数据，计算物质功率谱。6. 完成接收机调研报告和需求分析报告。二1. 继续搜集、整理现有巡天数据。2. 申请国内外望远镜时间,开展天文观测。处理和分析数据。3. 开发、完善关键数据处理新算法。搜索冷尘埃云核。4. 继续开发河内及河外中性氢的理论模型。5. 开展脉冲星物态方程的理论研究。6. 根据FAST的各种参数模拟其对中性氢21cm辐射的观测，完成21cm三维强度成图，与光学星系分布做互相关研究。7. 使用国内射电望远镜开展观测，积累观测数据。8. 进行接收机单元实验研究。1. 完成数据的搜集、整理和数据库建设。2. 得到望远镜观