取之寰宇,用之度天——用宇宙中的天体探索宇宙奥秘 ——未来科学家沙龙第七期简报
2024-05-08 15:16 王烁淳  审核人:曾学毛 王洪光


4月28日下午,由北京大学物理学院李柯伽教授主持的未来科学家沙龙第七期在理学实验楼719成功举办。本期沙龙的主题是“用宇宙中的天体探索宇宙奥秘”,天文系部分老师、全体研究生、部分本科生参加了沙龙活动。

李柯伽教授什么来头?

沙龙开始前,学院王洪光院长向大家介绍了主持人李柯伽教授的情况。李教授本、硕、博均在北京大学完成,后又在德国马克斯普朗克射电天文研究所完成博士后研究,目前就职于北京大学物理学院天文系,任博士生导师,兼任中国科学院国家天文台研究员。李教授的研究方向主要集中在脉冲星和快速射电暴物理、利用脉冲星测时技术来探索基本物理和天体物理过程,以及开发相关观测技术方面,其相关工作在2020年、2023年两次被《自然》杂志评为当年十大科学突破,在2021、2022连续两年评为中国天文学十大进展,在2023年评为中国十大科学进展和十大科技新闻,曾获2022年度腾讯科学探索奖。目前李教授是中国脉冲星测时阵列(CPTA)研究团队的领军人物。

王洪光院长介绍李柯伽教授

惟兹何功,孰初作之?”,接着,李教授以屈原的《天问》名句引出沙龙主题“取之寰宇,用之度天——用宇宙中的天体探索宇宙奥秘”。李教授娓娓道来,从宇宙组成、宇宙探测器、脉冲星测时阵列等三个方面对如何用宇宙中的天体探索宇宙奥秘进行了分析。


宇宙是由什么组成的?

李柯伽教授以星系为切入点,生动形象描述了宇宙的组成结构。星系大约仅占全宇宙总质量的4%,其中可观测到的发光物质仅0.4%,主要为重子物质。而暗物质则占据了23%的比例,最引人瞩目的是暗能量,占据了宇宙总能量的74%。

如何探测宇宙?

李教授介绍了“FRB”和“引力波”两类探宇宙测器。他指出,如何探测看不见的重子物质?快速射电暴(Fast radio burst,缩写为FRB)是一种很好的“探测器”。快速射电暴是一种极其短暂且极为强烈的射电信号,呈现瞬态电波脉冲,仅维持数毫秒的爆发,辐射功率可达10的42次方尔格/秒。由于电波在穿越等离子体的过程中发生色散,造成到达地球的脉冲高频成分和低频成分之间有时间延迟,我们可以测量得到色散量DM。色散量的大小与电波传播路径上累积的电子数据成正比,而电子数的多少与重子物质分布有关。因此,通过系统地搜寻快速射电暴样本,就能探测弥漫在星际空间的看不见的重子物质。

另一种探测器是引力波。倘若我们想要探测看不见的黑洞该怎么办呢?李柯伽教授接着便开启了引力波的故事。他介绍了引力的基本原理和引力波的研究历程,指出引力波有望揭示时间和空间的基本法则,其中星系中心超大质量双黑洞绕转产生的纳赫兹引力波成为了观测看不见的黑洞的突破口。然而,这一研究面临着诸多挑战。首先,纳赫兹波段的周期通常是几年到几十年不等,因此需要稳定长期运作的仪器。其次,引力波传播速度为光速,其波长在几光年到几十光年之间,这要求人们设计出能够进行有效探测的设备。针对这些挑战,脉冲星测时阵列可以提供巧妙的解决方案。


脉冲星测时阵列如何与引力波结合?

李柯伽教授向我们介绍了一些自转非常稳定的毫秒脉冲星,其自转周期的测量误差可以与原子钟相媲美。通过观测多颗毫秒脉冲星,记录其脉冲到达地球的时间,形成 “脉冲星测时阵列”。目前,国际上在花费20年的时间后,观测逐渐逼近了理论预期。然而,要突破目前的限制,李柯伽老师提出了几个关键点:首先,需要更为灵敏的射电望远镜;其次,需要更高性能的电子仪器,以提高数据的采集和处理效率;第三,需要更多的观测时间,以积累更多的数据来提高测量精度;最后,需要发现更多、更好的脉冲星,以丰富脉冲星测时阵列的数据资源。

             

                                                                                       


李柯伽老师讲解“脉冲星测时阵列”


 

李教授指出,中国天眼(FAST)的灵敏度与其他主要脉冲星观测望远镜相当,具有极大的突破潜力。自2020年FAST通过验收以来,中国脉冲星时序阵列(CPTA)已监测了超过60颗脉冲星,其数据精度比国际水平提高了4至50倍。CPTA的测量为纳赫兹随机引力波背景的存在提供了关键的证据。然而,这仅仅是纳赫兹引力波窗口刚刚打开的迹象,还需要进一步的观测、数据积累以及对脉冲星噪声起源的深入研究。同时,国内正在计划建设新的大口径射电望远镜,包括在新疆和云南分别建设口径为110米和120米的望远镜。李柯伽老师预测未来10年内,射电天文观测手段将得到系统性的提升,人类打开纳赫兹引力波窗口的曙光即将到来。

我们怎么办——精彩交流撞出火花

李柯伽教授的精彩分享描绘了我国射电天文蓬勃发展的美好前景,为同学们开拓了视野,激发了同学们投身天文科学研究的热情。沙龙进入交流互动阶段,同学们就自己感兴趣的领域与李教授进行了热烈的探讨交流。以下是一些比较精彩的交流:

本科生1问:脉冲星测时阵列,为什么用FAST单天线望远镜的数据,而不用干涉阵的数据?

李老师:和FAST比起来,现在国内其他望远镜的灵敏度比较低。未来,国内预计在云南和新疆建设超过100米口径的射电望远镜。如果有了这2个百米级望远镜,就可以和FAST进行相位相干,做干涉阵观测。


本科生2问:多个脉冲星如何测时?

李老师:需要测量每颗脉冲星的脉冲到达时间。因为纳赫兹引力波强度的变化很慢,今天和明天测量察觉不到引力波的变化,年的时间尺度上才会有较为明显的变化,所以需要定期观测,进行长期监测。在获得多个脉冲星到达时间的监测数据以后,再进行角度的相关性分析寻找引力波信号,相当于把这些脉冲星当成一个阵列来用。

研究生1问:快速射电暴无论是重复暴还是非重复暴,在FAST建成之前,大多都是Parkes望远镜找到的,FAST望远镜和以后会建立的2个百米望远镜对探测快速射电暴的起源有何作用?

李老师:用FAST去搜寻快速射电暴起源是一个资源的浪费,FAST灵敏度非常高,看到的天区非常窄,而快速射电暴是随机出现的,用FAST做搜寻比较困难。对快速射电暴的搜寻用射电望远镜阵列会更好,因为阵列的视场大。之前Parkes望远镜观测到快速射电暴是因为观测时间久。目前,利用射电阵列发现快速射电暴的效率是最高的。当已知一个快速射电暴是重复暴时,用FAST瞄准并监测其物理性质、偏振特性、有无磁场和谱线等等。FAST之前发现已知快速射电暴具有偏振多样性,是FAST的第一篇Nature文章(见罗睿老师的工作)。2020到2024年间,Nature关于快速射电暴的深度研究的文章,依托FAST完成的占了2/3。



                                                                




        

研究生2问:引力波除了可以探测正常的物质,有没有可能探测暗物质暗能量的信息?

李老师:宇宙早期的暴胀模型预言了有原初引力波,暗能量和暗物质和宇宙演化密切相关,可以通过宇宙微波背景辐射实验来探寻原初引力波,并研究暗物质和暗能量的信息。

本科学生3问:作为天文专业的学生,如何成为像李教授这样的专家?

李老师:首先要明确自己的人生方向;其次要把基层知识学扎实;第三要将课堂的知识学以致用,并坚定不移地朝着目标前进,相信你们都能超越我。



王洪光院长也加情不自禁的入交流


最后,同学们对李柯伽老师表示感谢,并与李柯伽老师合影留念。至此,第7期未来科学家沙龙圆满结束。李柯伽教授与大家合影留念。



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