国家自然基金标书-射电波段的前沿天体物理课题及FAST早期科学研究.DocVIP

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： 李菂 中国科学院国家天文台 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，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2～3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（ΛCDM）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（z~1）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（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