天文研究中心

p 　　3月19日上午, 中科院光电所副所长饶长辉研究员和中科院南美天文研究中心主任王仲研究员分别代表中科院自适应光学重点实验室和中科院南美天文研究中心签署了双方战略合作协议， 旨在进一步加强双方在天文观测大科学项目研究、天文观测科研仪器研发、天文台筹建工作等方面的合作，同时积极开拓各方发展契机，服务国家需求。 /p p 　　中科院南美天文研究中心是中科院在海外的独立研究机构，总部位于智利。该中心旨在通过与智利大学及智利国家科委的合作，搭建以智利为中心，辐射南美其他国家的长期、稳固、互利合作的天文科技平台，推动我国天文事业的长期发展。中心与自适应光学重点实验室将基于智利拥有的国际先进望远镜观测平台、大规模数值模拟研究以及光电天文仪器设备和技术方面的优势，合作开展最前沿的天文观测和天文技术方法研究，促进天文观测装置的发展，培养我国的天文研究人才。 /p p style=" text-align: center " 　　 img style=" width: 450px height: 300px " title=" " alt=" " src=" http://www.ioe.cas.cn/xwdt/ttxw/201803/W020180327618377930452.jpg" height=" 300" hspace=" 0" border=" 0" vspace=" 0" width=" 450" / /p p br/ /p

2021年7月7日，《自然通讯》（Nature Communications）杂志在线发表了武汉光电国家研究中心王健教授团队题为“Vectorial Doppler metrology”的最新研究成果。此研究将具有空间变化偏振分布的矢量光场应用于光学测量，提出并实现了新型矢量多普勒测量仪，其对于复杂运动信息的全矢量测量具有重要意义。多普勒效应是一种经典的物理现象，属于波的基本特性之一。该效应来源于波源与观测者之间的相对运动，使得观测者接收到的波的频率相对于波源频率具有一定偏移量。无论是机械波，还是电磁波，通过测量其多普勒频移，可以推算出观测者相对于波源的运动速度。多普勒效应已广泛应用于医学诊断、交通测速、精密测量、激光制冷以及天文学与航空航天等领域。光波属于电磁波，相对于机械波，如声波、水波等，具有超高速、大带宽、方向性好且能在真空中传播等优点，因此开发光的多普勒效应具有独特的优势。对于传统的平面相位光束，不考虑相对论效应，只有当运动物体在光束传播方向上有相对运动才能产生多普勒频移，称之为线性（或纵向）多普勒效应。最近二三十年，随着科学家对光的基本属性的进一步认知，光学研究已由简单的平面光束向更复杂多样的结构光束展开。结构光束的旋转（或横向）多普勒效应也受到了越来越多的关注，这为光学多普勒测量提供了更多的可测量维度。纵观多普勒效应的发现及发展应用历程，该效应针对的只是波的标量属性，即由相位（或强度）的连续改变产生多普勒频移。对于本振频率比较低的机械波，通常可以直接提取其多普勒频移，从而测定目标物体的运动速度与方向信息。对于光波（电磁波），由于其超高的本振频率，提取多普勒频移必须采取与参考光进行干涉拍频。然而，干涉拍频虽然能提取多普勒频移量，但却丢失了符号信息，即无法区分多普勒蓝移与红移。因此，如果不采用额外的测量手段，如外差检测或双频检测，直接基于干涉测量提取多普勒频移无法推断出目标运动物体的方向信息，这无疑导致了光学多普勒测量的应用局限。光波是一种横波，除了振幅与相位自由度，还有偏振自由度。光的偏振描述的是电磁场在正交于传播方向的平面上的谐振情况。传统的平面相位光束，其偏振取向在光束横截面上是均匀分布的。对于一类特殊的结构光场，其偏振取向在横截面上呈空间周期性变化分布，称之为矢量光。针对这类矢量结构光场，近期，华中科技大学武汉光电国家研究中心多维光子学实验室（MDPL: Multi-Dimensional Photonics Laboratory）王健教授团队研究发现，粒子在这类光场中运动能产生新的多普勒效应，即矢量多普勒效应。区别于基于标量光场的传统多普勒效应（多普勒信号表现为随时间变化的一维强度信号），基于新的矢量结构光场的矢量多普勒效应，其多普勒信号表现为随时间变化的二维偏振信号。这类新的多普勒偏振信号，除了携带目标运动物体的速度大小信息外，还同时携带了速度方向信息。具体表现为，不同的运动方向导致多普勒偏振信号呈现出不同的旋转手性，如图1和图2所示。实验或实际应用中，利用两个检偏器分析两路信号光的相对相位差，就能轻松分辨出多普勒偏振信号的旋转手性，进而直接测定目标物体的运动速度大小与方向。研究还发现，基于矢量结构光的矢量多普勒效应，不仅能直接测定粒子的运动矢量信息（速度大小与方向），还能潜在地追踪粒子运动的瞬时相对位置与瞬时速度，并且测量无须参考光束干涉，有很强的抗环境干扰能力。进一步，针对各项异性的运动粒子，理论分析发现，即使粒子在旋转的同时还处于自旋状态，通过对多普勒偏振信号进行标准的斯托克斯参数分析，或简单地利用两个检偏器分析，能同时测定粒子的旋转速度矢量（大小与方向）和自旋速度矢量（大小与方向）。该工作于2021年7月7日以Vectorial Doppler metrology为题发表在《自然通讯》（Nature Communications）上，华中科技大学武汉光电国家研究中心为论文第一单位，华中科技大学武汉光电国家研究中心博士后方良与硕士生万镇宇为共同第一作者，华中科技大学名誉教授、南非金山大学Andrew Forbes教授为论文合作者，华中科技大学武汉光电国家研究中心王健教授为论文唯一通讯作者。该项工作是对传统基于标量光场多普勒效应的一次突破，极大丰富了多普勒测量的内涵，同时对于矢量结构光场的基础研究及拓展应用研究具有重要科学意义。Liang Fang, Zhenyu Wan, Andrew Forbes, Jian Wang*, “Vectorial Doppler metrology,” Nature Communications, 12, 4186 (2021).https://www.nature.com/articles/s41467-021-24406-z图1矢量多普勒效应概念示意图图2基于矢量结构光场的矢量多普勒效应测量粒子的运动矢量（速度大小和方向）。(a)(c)相反运动的粒子在矢量结构光场（以HE31为代表）中与局部偏振光相互作用示意图。(b)(d)粒子采样反射或散射的二维多普勒偏振信号因粒子运动方向不同表现出不同的手性。二维多普勒偏振信号同时携带粒子运动的速度大小与方向信息。多维光子学实验室（MDPL）研究人员（从左至右）：方良、王健、万镇宇

p style=" line-height: 1.5em " 　　7月24日，来自贵州省科技厅的消息显示，截至目前，FAST已发现44颗脉冲星，其中18颗获得国际认证。随着19波束L波段馈源接收机的投入使用，以FAST为引领，中国科学院FAST重点实验室、FAST早期科学数据中心、贵州省射电天文数据处理重点实验室、贵州省信息与计算科学重点实验室、国家天文台· 贵州大学天文联合研究中心等科研机构有机融合，构建起了贵州天文科研矩阵，进一步聚集国内外创新资源，在射电天文领域产生新一批具有国际领先水平的原创性成果，助推中国射电天文研究跨越式发展。 /p p style=" line-height: 1.5em " 　　经过一年多的紧张调试，FAST已实现跟踪、漂移扫描等多种观测模式，调试进展超过国际同类大型望远镜，成为世界级的“观天利器”。目前，FAST已完成升级，用上了目前国际上最为先进的19波束L波段馈源接收机，由于巡天速度提高了五至六倍，预计将收获更多的科学观测数据。今后，19波束接收机每年将产生约20个PB的超级数据，未来十年产生的数据量将达到200PB。为满足其存储和超算能力，贵州正在对FAST早期科学数据中心进行扩容，并将启动建设贵安新区科学数据中心。 /p p style=" line-height: 1.5em " 　　截至目前，FAST已发现了44颗脉冲星和54颗侯选体。特别是通过与美国国家航空航天局的费米伽马射线卫星合作，FAST首次发现毫秒脉冲星J0318+0253(周期5.19毫秒)并获得国际认证，这是中美科学装置首次在地面和太空、射电与高能波段合作完成的天文学发现，也是FAST继发现脉冲星之后的另一重要成果。19波束L波段接收机投用后，FAST将会获得射电源更精确的定位图像，发现更多的脉冲星，并能观测宇宙中不同距离不同方向的中性氢1.4GHz谱线，以更好地探索宇宙历史，甚至搜寻可能存在的外星文明。 /p p style=" line-height: 1.5em " 　　对于FAST的卓越表现，FAST早期科学数据中心功不可没。FAST早期科学数据中心主要开展天文数据存储、共享，并行计算和高性能计算等科研工作，对实时传送的FAST海量数据进行存贮、计算和筛查，为FAST数据管理、数据综合分析与应用提供重要保障。在脉冲星搜索计算和人工智能识别等方面，FAST早期科学数据中心已经达到了世界领先的水准。其中，针对单台服务器单个文件，FAST早期科学数据中心在计算能力上提速近百倍。面对海量的图片和数据，FAST早期数据中心还创新性地开发了智能数据库，可以通过条件检索出天文学家想查找的脉冲星计算结果图型，此项技术为国际首创。FAST首次发现的毫秒脉冲星，就是由该系统计算协助发现，美国阿雷西博望远镜在相同位置三次观测均未成功。 /p p style=" line-height: 1.5em " 　　依托世界最大单口径射电望远镜FAST，面向国际天文前沿问题和国家重大战略需求，致力于低频射电天文研究与技术方法发展，中国科学院FAST重点实验室在探索科研与技术有机结合新模式的同时，与贵州省射电天文数据处理重点实验室、贵州省信息与计算科学重点实验室、国家天文台· 贵州大学天文联合研究中心等构成了贵州天文科研矩阵，使得贵州省初步形成了以FAST为引领的天文科研体系。 /p p br/ /p