最近，中國天眼FAST探測到了快速射電暴FRB121102大量重復爆發(fā)，其捕捉的爆發(fā)數量為目前全世界已知最多（點(diǎn)擊閱讀原文了解更多）?？焖偕潆姳┦悄壳耙阎钪嬷猩潆姴ǘ巫蠲髁恋谋l(fā)現象，那么FAST在快速射電暴的研究上有哪些優(yōu)勢呢？一起來(lái)看看吧～
FAST對FRB的研究
具有獨特的重要意義
快速射電暴起源于遙遠的星系，是射電波段最亮的信號。據估計，每天抵達地球的爆發(fā)脈沖多達幾千到上萬(wàn)次，而我們對于其物理機制只有猜測，遠遠沒(méi)有定論。據FRBCAT統計，截止目前已經(jīng)有近百個(gè)FRB的發(fā)現，其中10多個(gè)被認定為重復爆發(fā)的快速射電暴。FAST視場(chǎng)相對較小，在發(fā)現新的FRB上和大視場(chǎng)望遠鏡如CHIME比，不占優(yōu)勢。但是它的靈敏度極高，對FRB的研究具有重大意義。FAST是理想的重復暴觀(guān)測設備， 可以得到全世界最好的爆發(fā)信噪比及爆發(fā)率統計數據。此外，FAST將有可能探測到宇宙中最遙遠的FRB。幾天以來(lái)，我們已經(jīng)探測到數百次的重復爆發(fā)，是已知最多的。目前仍在數據處理中。
FAST FRB 終端：
Building telescope is a game of shrinking dream
本次快速射電暴的爆發(fā)首先由 FAST快速射電暴實(shí)時(shí)探測終端（FAST FRB 終端） 實(shí)時(shí)捕捉并預警。望遠鏡終端設備的建設是一個(gè)打怪升級的過(guò)程。從想法、設計和仿真到樣機，從樣機到可以測試使用的設備，從可以自己使用操作到可以供全世界天文學(xué)家觀(guān)測使用的常規設備。每一步，都不容易。
Lorimer博士在處理大麥哲倫星云脈沖星巡天數據的時(shí)候，發(fā)現了第一個(gè)快速射電暴（圖1）。其亮度驚人，在多個(gè)不同指向的波束中看到，相當比例的數據已經(jīng)飽和。直到今天，人類(lèi)也不確切知道其真實(shí)亮度。由于只有一次探測，很難確認其真實(shí)性和起源。在2007年發(fā)表于《科學(xué)》雜志之后，被稱(chēng)為“Lorimer Burst", 但是受到普遍懷疑，特別是澳大利亞天文臺的微波爐也被發(fā)現有生成脈沖特征信號的能力。直到2013年Thornton等人認證了其他四個(gè)爆發(fā)，這種現象才被稱(chēng)作快速射電暴，開(kāi)啟了目前最為熱門(mén)的一個(gè)天文子領(lǐng)域。
圖1：由Duncan Lorimer發(fā)現的第一個(gè)快速射電暴FRB 010724 （Lorimer et al. 2007, Science, 318, 777L）
快速射電暴領(lǐng)域興起時(shí)，FAST早已設計完成，開(kāi)工都已經(jīng)兩年多了。大型設備的升級總是復雜、系統的挑戰。2015年，我們與國際射電望遠鏡終端合作開(kāi)發(fā)平臺CASPER的創(chuàng )始人伯克利Werthimer教授進(jìn)行了詳細的探討，確定了拓展19波束終端，建設實(shí)時(shí)探測、觸發(fā)原始數據存儲的FRB終端的方案。2016年，受中國科學(xué)院天文大科學(xué)中心邀請，西弗吉尼亞大學(xué)Lorimer教授和伯克利大學(xué)Heiles教授到FAST工程現場(chǎng)合作，進(jìn)一步討論了終端建設、偏振調試等等技術(shù)方案。
圖2：右起依次為Duncan Lorimer, Carl Heiles, 蔡肇偉，李菂。攝于2016年12月。
FAST FRB 終端建設團隊需要電子工程等工程學(xué)背景的人才，而工程技術(shù)人才職業(yè)發(fā)展的選擇非常多，天文領(lǐng)域的待遇并不高。為了吸引學(xué)生加入團隊，段然博士用其導師Sandy Weinreb的親身經(jīng)歷鼓勵大家。Weinreb是電子工程的博士，發(fā)明了世界第一臺digital auto-correlator, 在射電波段首次發(fā)現星際分子羥基（OH)。他的數字相關(guān)機技術(shù)，現在應用于全世界幾乎所有的主要望遠鏡 。Weinreb博士在2008年獲得射電天文大獎the Grote Reber Medal。
圖3：射電天文第一個(gè)星際分子發(fā)現（左）及第一臺數字相關(guān)機（Weinreb et al. 1963 Nature)。
“自古偉大的天文學(xué)家，不都是自己造望遠鏡的么？我們非常幸運，可以參與到FAST望遠鏡的建設里來(lái)，很多人一輩子都趕不上”。后端團隊最?lèi)?ài)說(shuō)的一句話(huà)是“Building telescope is a game of shrinking dreams"。這是一支心懷夢(mèng)想，堅韌不拔的小團隊。
圖4：2015年團隊成員在實(shí)驗室調試
2015年， 團隊成員在實(shí)驗室調試終端設備（上圖）。
圖5：2016年臨時(shí)終端室調試（上）、2017年終端室調試（中）、在FAST現場(chǎng)組織FRB終端技術(shù)研討下）
2016年的FAST現場(chǎng)遠不像現在這么漂亮。當時(shí)還是碩士研究生的張馨心用泡沫塑料做椅子，用UPS電源箱做桌子（危險勿仿），堅持完成調試工作。作為駐守在現場(chǎng)最久的終端建設人員，張馨心至今仍每年超過(guò)200天在FAST現場(chǎng)度過(guò)。臨時(shí)終端室地板是臨時(shí)搭建的，容易踩空，團隊成員還曾掉下去過(guò)，好在沒(méi)有受重傷。2017年，FAST現場(chǎng)指揮部建設完成，終端設備搬進(jìn)了終端室，再也不用擔心地板不穩掉下去了。
2018年9月，在FAST現場(chǎng)，我們組織合作成員UC Berkeley, 北師大，新疆臺的團隊，技術(shù)攻關(guān)和初步測試。
FAST FRB終端：
一根敏感的脈沖視神經(jīng)
我們利用FRB終端試觀(guān)測已知脈沖星，測試信號捕捉能力和基本指向對應。我們利用人為發(fā)射單脈沖信號，來(lái)校準FRB終端，調整觸發(fā)的閾值。結合已知脈沖星的實(shí)測數據， 調節FRB終端針對信號變化的屬性。
圖6：FAST FRB終端針對已知脈沖星（左）和人工生成脈沖（右）的測試。
最近的幾個(gè)月，我們持續的對重復快速射電暴進(jìn)行跟蹤觀(guān)測， 同時(shí)也在漂移掃描的時(shí)候并行監測。
2019年8月10日，FRB 終端在漂移掃描時(shí)，發(fā)現一顆新的脈沖星。在運行啟動(dòng)很短的時(shí)間內就有新脈沖星的發(fā)現，驗證了FRB終端高效和強悍的脈沖捕捉能力。
圖7：FAST FRB終端實(shí)時(shí)捕捉的一顆新的脈沖星信號
北京時(shí)間8月30日凌晨，FAST FRB終端實(shí)時(shí)捕捉FRB121102爆發(fā)，記錄了原始數據并預警。碩士畢業(yè)后繼續留在團組工作的助理工程師張馨心當天在FAST現場(chǎng)操作FRB 終端觀(guān)測，邊觀(guān)測邊實(shí)時(shí)檢索候選體圖片，發(fā)現持續的DM在500-600之間的單脈沖爆發(fā)。這在對FRB121102之前的跟蹤觀(guān)測中，并未見(jiàn)到。我們意識到可能是真實(shí)爆發(fā)，并迅速通知相關(guān)人員。FAST工程調試團隊第一時(shí)間做出了響應，調整觀(guān)測計劃，安排補充凌晨的時(shí)間跟蹤觀(guān)測FRB121102。
圖8：FAST FRB 終端實(shí)時(shí)捕捉的FRB121102的爆發(fā)信號之一。
FAST FRB 終端系統具有高效的實(shí)時(shí)脈沖捕捉能力，可以和大部分觀(guān)測任務(wù)并行觀(guān)測。好似給天眼裝了一根敏感的視神經(jīng)，只要是有脈沖，不管是快速射電暴還是新的脈沖星，都可以實(shí)時(shí)察覺(jué)并迅速反映。
關(guān)于FRB的可能解釋和模型
FRB領(lǐng)域的發(fā)展軌跡很像“伽馬射線(xiàn)暴”領(lǐng)域的早期。人類(lèi)從發(fā)現“伽馬射線(xiàn)暴”到達成普遍接受的合理解釋經(jīng)過(guò)了幾十年。射電望遠鏡技術(shù)的發(fā)展，和預計中的大量可探測的FRB事件，使我們有理由相信FRB的起源會(huì )被更快的揭示。
據不完全統計，目前關(guān)于FRB起源的模型有數十種。這些模型分為可重復的（解釋重復暴）和災變性的（解釋不重復暴）。重復暴的可能起源包括脈沖星的巨脈沖，星際及星系間介質(zhì)的放大作用，磁星爆發(fā)或同步脈澤輻射，中子星磁層與臨近天體相互作用，小行星撞中子星等。災變性FRB的起源模型包括超大質(zhì)量中子星坍縮，雙中子星并合，黑洞并合，宇宙弦釋放能量等。目前觀(guān)測限制極度缺乏。甚至有文章討論FRB來(lái)源于地外智慧生命的可能性。這不是本文作者的觀(guān)點(diǎn)，但反應了FRB帶來(lái)的我們對已知的未知和未知的未知的探索追求。
探索未知的好奇心是基礎科學(xué)的原動(dòng)力。一半的天文發(fā)現是“happy accident”, 包括宇宙微波背景輻射，加速膨脹的宇宙, 脈沖星, 伽馬射線(xiàn)暴，和現在的FRB等等。阿雷西博望遠鏡建設在脈沖星發(fā)現之前。而阿雷西博脈沖星的觀(guān)測成果證實(shí)了引力波的存在，獲得1993年諾貝爾物理學(xué)獎。讓我們保持一個(gè)好奇的，開(kāi)放的心態(tài)，期待FAST和人類(lèi)的更多發(fā)現。
FAST FRB 后續期待
憑借FAST極高的靈敏度和FRB終端高效的捕捉能力，我們相信，FAST不僅在重復暴的監測上將持續發(fā)揮作用， 我們將會(huì )在FRB領(lǐng)域有持續的新發(fā)現，請大家拭目以待。
作者簡(jiǎn)介
段然，博士畢業(yè)于加州理工大學(xué)Caltech 電子工程系，負責FAST FRB 終端和CRANE 終端平臺建設。曾負責CSO，SPIDER, CCAT等望遠鏡信號處理系統設計/建設和亞毫米波器件設計。
李菂，國家天文臺研究員，FAST FRB 終端項目PI。
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