【今日消息-中國天眼給神秘信號拍“大片”：快速射電暴大多數(shù)來自銀河系外】
54天82小時，科學(xué)家利用中國“天眼”（FAST）給銀河系外一個持續(xù)時間僅有十幾秒的“神秘信號”——快速射電暴（FRB） 20201124A拍了一個“大片”。相關(guān)研究成果9月22日發(fā)表于《自然》。
快速射電暴幾毫秒內(nèi)瞬間爆發(fā)的無線電波段的能量，相當(dāng)于全球總發(fā)電量累計幾百億年的總和。自2007年首次發(fā)現(xiàn)以來，科學(xué)家迄今已發(fā)現(xiàn)上千個此類事件。但它們的起源究竟是什么，答案并不十分確定。
科學(xué)家對這個河外信號的近2000次爆發(fā)進行了動態(tài)監(jiān)測，取得多個國際首次重要發(fā)現(xiàn)?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)，它來自一個宿主星系的恒星不那么密集的地方，那里的磁場變化非常強烈。”論文通訊作者、北京大學(xué)教授、中科院國家天文臺研究員李柯伽告訴《中國科學(xué)報》。
“用我國自主研制的世界一流的‘天眼’望遠鏡，率先看到其他人尚未看到的新現(xiàn)象，這很激動人心，也是科學(xué)發(fā)現(xiàn)的魅力所在。”論文共同通訊作者、中科院國家天文臺研究員朱煒瑋說，他很榮幸自2017年起就參加了FAST早期調(diào)試工作，并在大裝置建成后參與相關(guān)研究。
同一天，該論文共同作者、南京大學(xué)天文學(xué)系教授王發(fā)印還在發(fā)表于《自然—通訊》的另一項研究中對此次觀察結(jié)果進行了數(shù)據(jù)建模，在磁星（一類磁場極強的中子星）之外，為快速射電暴的“雙星起源”潛在動力來源提供了證據(jù)。
捕捉奇異現(xiàn)象
FRB 20201124A是2020年加拿大氫強度測繪實驗（CHIME）望遠鏡發(fā)現(xiàn)的一個河外信號。
“這個大視場望遠鏡很善于抓住新的快速射電暴，發(fā)現(xiàn)這個信號活躍之后，我們馬上開始跟進?！敝鞜槵|告訴《中國科學(xué)報》，這是天文學(xué)國際合作和信息分享的一個案例。正如最近中科院國家天文臺副研究員王培等利用FAST發(fā)現(xiàn)另一個快速射電暴FRB 20121102A重復(fù)出現(xiàn)并在《天文學(xué)簡報》上與國際同行共享一樣，這樣做可以讓全世界的天文學(xué)家第一時間跟進活躍的天體，抓住新的現(xiàn)象。
從2021年4月1日到6月11日的兩個多月時間里，科學(xué)家利用FAST對FRB 20201124A展開每天一小時的持續(xù)觀測。
“就像拍電影一樣，通過無線電的方式，觀看它的物理演化?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡?、美國內(nèi)華達大學(xué)拉斯維加斯分校教授張冰說，隨著地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，在這兩個多月里，觀測時間從最開始的下午4點慢慢移到上午，最后一次觀測則是早上6點鐘。
據(jù)介紹，推算觀測時間并不難，只要在計算機上“按模型跑兩次就行”。復(fù)雜的是分析和處理在此過程中獲取的大量數(shù)據(jù)——54天82小時觀測的1863個爆發(fā)的動態(tài)脈沖信號。如此高頻度的爆發(fā)率也使該事件成為最活躍的幾個重復(fù)暴之一。為了解這些數(shù)據(jù)到底說明了什么，研究者需要開發(fā)新的理論模型。
“稿件是今年7月接收的，相比觀測的兩個多月，過去一年半里我們大部分時間是在分析獲得的數(shù)據(jù)能給我們什么信息?！崩羁沦ふf。
讓研究者欣喜的是，他們最終觀察到許多國際上未曾發(fā)現(xiàn)的快速射電暴現(xiàn)象。
這包括首次發(fā)現(xiàn)了法拉第旋轉(zhuǎn)量的奇異演化行為，即在前36天里法拉第旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)了無規(guī)律的短時標(biāo)演化，而在隨后的18天里幾乎不變；首次發(fā)現(xiàn)了快速射電暴的猝滅現(xiàn)象，即從保持高爆發(fā)狀態(tài)到在72小時內(nèi)突然熄滅；首次探測到與之前所有快速射電暴都顯著不同的高圓偏振度脈沖，其最高值達到了75%；還首次測到了偏振度隨著電磁波波長振蕩的現(xiàn)象。
“這些現(xiàn)象都說明，在FRB 20201124A周圍1個天文單位（即太陽到地球的距離）的環(huán)境，是非常復(fù)雜且在動態(tài)演化著的。”李柯伽說。
他向《中國科學(xué)報》解釋，法拉第旋轉(zhuǎn)量可以用于了解環(huán)境中的磁場強度，其觀測到的變化說明了該快速射電暴周圍的磁場環(huán)境發(fā)生了劇烈變化。同時，通過偏振振蕩現(xiàn)象，他們認為其周圍的磁場達到了高斯量級以上。
窺探起源奧秘
此次研究還通過國際合作使中西望遠鏡“雙劍合璧”，在無線電波段和光學(xué)波段上優(yōu)勢互補，為快速射電暴可能產(chǎn)生的宿主環(huán)境和理論機制提供了新的證據(jù)。
“在對FRB 20201124A的觀測中，我們還利用位于美國夏威夷的凱克10米光學(xué)望遠鏡觀測了它的宿主星系，首次分辨出宿主星系的結(jié)構(gòu)，揭示了它周圍幾百光年尺度上的星系環(huán)境?！痹撜撐墓餐ㄓ嵶髡?、北京大學(xué)教授東蘇勃對《中國科學(xué)報》說。
據(jù)介紹，研究團隊利用光譜觀測確定了宿主星系的精確紅移，據(jù)此估算它距離地球約15億光年。由于大氣湍流的影響，要看清如此遙遠的宿主星系并非易事，之前的圖像只能看到模糊的一團，而無法辨別其中任何結(jié)構(gòu)。通過與美國艾奧瓦大學(xué)教授傅海等天文學(xué)家展開國際合作，采用裝有先進激光導(dǎo)星的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的凱克望遠鏡，研究團隊克服了不利影響，首次拍到該宿主星系的清晰圖像。
“這是一個約銀河系尺度大小的、富金屬的棒旋星系。”論文共同作者、北京大學(xué)博士陳平向《中國科學(xué)報》介紹，所謂的“棒旋星系”，是指恒星組成的一個“棒狀”結(jié)構(gòu)穿過星系中心的旋渦星系。研究發(fā)現(xiàn)，此次研究的快速射電暴來源不在“棒”上，也不在“旋渦”的旋臂上，而是處于旋臂之間、距離星系中心中等距離，位于星系盤上恒星密度比較低的區(qū)域。
了解宿主星系的結(jié)構(gòu)和快速射電暴周圍的星系環(huán)境有什么科學(xué)意義呢？
以前科學(xué)家拍攝到的重復(fù)性快速射電暴的宿主星系，無論是來自比銀河系小得多的矮星系，還是類似于銀河系的旋渦星系，快速射電暴大都位于大量年輕恒星的密集誕生地附近。為此，有科學(xué)家提出假說認為，快速射電暴可能與大質(zhì)量恒星極端爆炸導(dǎo)致的超亮超新星或伽馬射線暴后形成的年輕磁星有關(guān)。
“但我們的研究表明，此次重復(fù)暴事件處在一個比較普通的星系環(huán)境里?！睎|蘇勃說，這意味著這個重復(fù)暴的星系環(huán)境不支持上述假說。
在發(fā)表于《自然—通訊》的研究中，王發(fā)印與合作者基于觀測數(shù)據(jù)對FRB 20201124A的潛在動力來源進行了建模分析。
迄今，科學(xué)家建立的快速射電暴起源的模型已有60多個，如磁星、中子星并合或中子星和小行星碰撞等。2020年，中外科學(xué)家首次確定銀河系內(nèi)的快速射電暴FRB 200428起源于磁星；但大多數(shù)快速射電暴來自銀河系外，它們的起源仍未得到驗證。
王發(fā)印和合作者分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RB 20201124A周圍環(huán)境貢獻的法拉第旋轉(zhuǎn)會改變符號，表明其周圍的磁場改變了方向，該現(xiàn)象與銀河系內(nèi)PSR B1259-63/LS 2883雙星相似?！斑@表明，它可能來自一個磁星和Be星（光譜中有明顯的氫發(fā)射線的B型恒星）組成的雙星系統(tǒng)?！彼麑Α吨袊茖W(xué)報》說。
他們還發(fā)現(xiàn)，該事件是第一個具有圓偏振和持續(xù)時間最長的重復(fù)快速射電暴?！耙话闵潆姳┢骄鶗r間只有幾毫秒，這次可以達到15毫秒左右，高出一個量級?！蓖醢l(fā)印對比說，這可能是由于快速射電暴的輻射穿過Be星盤時，與盤上的電子發(fā)生的散射導(dǎo)致快速射電暴的持續(xù)時間變長。此外，其法拉第旋轉(zhuǎn)量存在顯著變化，并伴有退偏振現(xiàn)象，這可能是由于盤上物質(zhì)和磁場不均勻，導(dǎo)致不同視線方向的法拉第旋轉(zhuǎn)值不同而產(chǎn)生的。
據(jù)介紹，該模型可以解釋最新發(fā)現(xiàn)的其他3個快速射電暴的法拉第旋轉(zhuǎn)演化（FRB 190520B、FRB 180916和FRB 220529）?！斑@個模型對一部分快速射電暴可能起源于雙星系統(tǒng)給出了強有力的證據(jù)，對這個領(lǐng)域有非常重要的價值?！币晃粚徃迦嗽u價說。
向真相逼近
2007年第一個快速射電暴被發(fā)現(xiàn)以后，曾有科學(xué)家估算，每10年才能看到一個射電暴。但過去幾年，大視場望遠鏡系統(tǒng)性、大規(guī)模的發(fā)展使得這個研究領(lǐng)域的變化一日千里，全球已發(fā)表的快速射電暴已有數(shù)百個，已發(fā)現(xiàn)的實際上已經(jīng)達到上千個。
“得益于FAST 這個大國重器，過去幾年，中國科學(xué)家在快速射電暴研究領(lǐng)域不斷獲得新的發(fā)現(xiàn)，一直活躍在世界前沿。”朱煒瑋說。
不過，他表示，還有很多問題等待回答。例如FRB的起源究竟是什么？為何會產(chǎn)生如此多的爆發(fā)現(xiàn)象？這需要將天文觀察和理論建模相結(jié)合，不斷發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象和可能性，一步步逼近真相。
為實現(xiàn)這個目標(biāo)，李柯伽表示，除了FAST外，“慧眼”硬X射線空間望遠鏡、“天籟”望遠鏡實驗陣列等基礎(chǔ)設(shè)施將逐步解決天文觀測中多波段觀測能力不足的問題?！捌诖覀冞@近百人的合作團隊能夠依托FAST，牽引更多國際聯(lián)合觀測，在未來幾年產(chǎn)出更多重要成果，找到真正來源，為了解這種劇烈天體物理現(xiàn)象作出貢獻?！彼f。
王發(fā)印則建議加強快速射電暴研究人才的培養(yǎng)。他告訴記者，目前這一領(lǐng)域大多數(shù)研究者是從脈沖星研究轉(zhuǎn)過來的，人才隊伍整體力量仍然不足。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05071-8
https://doi.org/10.1038/s41467-022-31923-y
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