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射电闪光,尽收“眼”底

发布日期:2022-06-22 09:01    点击次数:117

浩瀚的星河,暗藏无数未知的秘密。古代天文学者把夜空中偶然出现的不速之客称之为客星,它们随时可以出现在天空的任何一个角落,不经意间的到访后又淡出,使它们增添了不少神秘的色彩。现如今人们知道,客星主要是新星、超新星和彗星,偶尔也包括流星、极光等其它天象。

而在如今的天文发现中,快速射电暴堪称最为神秘的一种,犹如现代版的“客星”。最近几年,FAST望远镜逐步投入使用并参与快速射电暴研究的第一线,我国学者也取得了许多重要的科学成果。

/何为快速射电暴

射电也就是我们生活中所说的无线电,其最广泛的应用就是通讯技术。2007年,洛里默(Lorimer)团队在帕克斯望远镜(Parkes)的历史巡天数据中,找到了一个极亮但持续时间极短的射电闪光。这一偶然的发现引起了不小轰动,一时间关于外星人的讨论在国外吵得沸沸扬扬,人们期待着能够再次探测类似的信号。

功夫不负有心人,科学家们陆续发现了更多来自宇宙深空其它的射电闪光,人们意识到这类现象似乎并非偶然,而是宇宙中大量存在的。这些射电闪光普遍具有极高的光度,辐射波段均在射电波段,并且持续时间只有几毫秒之短,因此将它们命名为快速射电暴(Fast RadioBurst,FRB)。虽然它们仅仅只有一闪,然而这一瞬间释放的能量却相当于太阳燃烧一整天甚至一年。

2007年,发现快速射电暴的洛里默教授。来源/Wiki

FRB究竟源于何方?人们迫不及待地想要揭秘这些神秘来电的起源。观测发现,FRB在天图中几乎呈均匀分布,且他们的色散量都超过了银河系给出的预估值,这表明它们很可能来自银河系外。如果假设FRB辐射源是静止或者非相对论运动的,可以估计它的辐射区大约几百千米左右,相当于北京到呼和浩特那么远,可这一尺度对于浩瀚的宇宙而言太过渺小。不得不为之感叹,如此狭小的尺度下,就要释放出巨大的能量,恐怕只有极端的致密“引擎”才能做到吧。

/探索之路

充满想象力的科学家联想到另一种极端的暴发事件——伽马射线暴(GRB)。目前,GRB被认为主要起源于致密双星到并合或者超新星爆发事件,这些灾难性事件的确能够解释FRB释放的巨大能量。

然而,2016年,一个名为FRB 121102的事件重复地出现在了它最初被探测到的天区,这种能够在同一位置重复出现的FRB被称为重复暴。重复暴的发现否定了灾难的一次性事件模型,同时重复性提供了更多关于FRB物理起源的信息,也对FRB的精确定位有很大帮助。

正是在确认了重复暴的一年之后,人们终于实现了FRB的精确定位。通过射电和光学望远镜的联合探测,FRB 121102被精确定位在一个距离我们大约30亿光年的矮恒星形成星系中。

有趣的是,FRB 121102居然来自它宿主星系的边缘地带,与太阳系处在银河系的位置类似。另一个有意思的发现是,距离FRB 1121102辐射源40pc以内的地方,存在一个能持续发出射电信号的未知天体。

经典电磁学告诉我们,电磁波是横波,其电磁场振动方向与传播方向垂直。如果沿着传播方向看去,我们将观察到电(磁)场在垂直平面的振动行为,这就是我们所说的偏振特性。

2018年,天文学家实现了对FRB 121102的偏振观测,发现FRB 121102可能处于一个极高的磁场环境中,这与其它FRB大不相同。对比银河系的脉冲星发现,FRB 121102的磁场环境与一颗名为PSR J1745+2900的磁陀星十分相似。有趣的是,PSR J1745+2900位于银河系中心附近,它的磁场环境极大程度上可能受到了银河系中心超大质量黑洞的影响。由此可以推测FRB121102周遭同样存在着这样一个黑洞。但与之不同的是,FRB 121102并非位于其宿主星系的中心。

2 0 1 9 年, 加拿大氢强度测绘实验(CHIME)公布了第二例重复暴FRB 180814.J0422+73的发现(CHIME et al.2019a),这表明重复暴绝非个例,而极有可能大量存在于浩瀚的宇宙之中。然而,科学家至今并未发现第二例重复暴周围是否存在类似FRB 121102的强磁场环境以及射电持续源。随着观测技术手段的提升,更多FRB被精确定位,它们的宿主星系千奇百怪,各不相同,似乎暗示人们FRB并非来自某

些特殊的星系。

2019年,加拿大CHIME设备公布了第二例重复暴FRB 180814.J0422+73的发现,这表明重复暴绝非个例,而极有可能大量存在于浩瀚的宇宙之中。版权/CHIME

/睁开的天眼

中国天眼望远镜,又称FAST,是一座位于贵州平塘县拥有500米口径的单天线球面望远镜,面积相当于30个足球场,如此巨大的面积奠定了它必将具有绝佳的灵敏度。

2019年7月,北京大学和国家天文台联合观测团队,发现了一个从未被认证的新的重复暴。这个重复暴名叫FRB 180301,最早被澳洲的Parkes望远镜所发现。在FAST首次的2小时跟踪过程中,团组成员惊奇地发现了4例重复暴事件,这是一次极其幸运的“捕猎”。这些事件具有与最初发现时类似的色散量大小,表明它们与第一次发现时具有相同的位置,可以确定,FRB 180301是一例重复暴。这是中国天眼首次从已知的FRB源中认证重复暴!团组成员申请了更多时间进行跟踪观测,希望能捕获更多“猎物”。

经历长时间的守株待兔计划后,团队成员又发现了11个新的FRB事件。其中一些暴发具有独特的偏振特性,这些暴发的偏振位置角具有演化特征,这是史无前例的发现。此外,从偏振测量结果中还发现了法拉第旋转量(RM)的演化,而相应的色散量却几乎保持不变,这一发现表明FRB 180301传播路径的磁场发生了比较大的变化。

2020年4月28日,一例来自银河系内的射电暴事件分别被CHIME以及美国的STARE2独立探测到。这例事件在时间-频率谱上表现出与FRB高度的相似性,并且填补了FRB与脉冲星能量带隙的空白。与此同时,许多空间望远镜,如HXMT、Integral、Konus-wind等,都发现了同一时间这个射电暴的高能对应体。这一重大发现表明FRB的起源极有可能与磁陀星甚至脉冲星类致密天体有着紧密的关联。该发现被为“2020年天文十大发现”之一。

在这颗磁星发生射电暴的活跃期间,FAST也对这个源进行了观测,获得了另外的重要信息。FAST发现在磁星大部分时间内,并没有射电信号。以FAST的灵敏度而言,这是一个非常严格的限制。这些望远镜的共同发现一起提供了磁星活跃期产生快速射电暴的完整图像,即磁星可以产生快速射电暴,但是和高能活动关联不大,磁星产生射电暴是极其稀有的事件。尽管磁陀星类天体看上去与FRB之间有着千丝万缕的联系,然而人们并不清楚磁陀星究竟如何产生这些极亮的射电暴发。

FRB是否存在像脉冲星一样的周期,一直是困扰天文学者们的一大难题。CHIME团队发现FRB 180916.J0158+65具有定期活跃的特征,活跃期每16天左右均匀地出现。如果FRB真的存在周期性活跃的特征,这将对揭示FRB的起源产生重大影响。2019年8月,FAST对FRB121102的长时间监测过程中,居然发现了1600多个FRB事件!这是迄今为止最大的单个重复源活跃期内暴发的样本。不仅如此,截止2018年FRB发现十余载,人们累计公开的FRB样本仅仅百余例,而FAST的这次观测仅用几周的时间,就打破了这一记录。统计发现,FRB 121102的能量分布可能呈“双峰”分布,暗示FRB或许有两种释放能量的机制。尽管我们有幸探测了1600多个样本,却依然没有发现FRB具有像脉冲星一样的周期性,看上去FRB应该不是普通的脉冲星。FAST对FRB 121102进行观测取得的成果入选“2021年度中国科学十大进展”。FRB总要经历长途跋涉,才能够从宿主星系来到我们的地球,其间总免不了与各种介质发生相互作用。如果星际中的介质密度具有一定涨落,电磁波将被散射从而消去一部分线偏振度。

FAST团队观测发现,FRB的线偏振度在不同的频段可能是不同的,且线偏振度与RM在空间尺度的涨落可能具有一定联系。如果线偏振度的消失是各种弥散在星际之间的介质造成的,则说明FRB传播路径的磁电离环境错综复杂。如此一来,一个有意思的想法是,FRB源或许来自刚诞生的年轻致密天体,复杂的磁电离环境可能是超新星爆发留下的遗迹所致。

FAST捕获世界最大快速射电暴样本(国家天文台主持完成)。版权/国家天文台/王培

/正在揭开的面纱

FRB发现至今的十五载,尽管人们积累了一定的观测结果,然而它的起源至今仍无定论。

从能源机制出发,FRB一定是极端的活动过程,然而重复暴的发现又否定了一次性的灾难事件。考虑FRB的持续时间,几百千米的辐射半径差不多是中子星磁层辐射的高度。中子星作为致密星的一种,它具有极高的磁场和极端致密的物态,也就是说它自身储备了极高的磁能和引力能。或许中子星只要从它丰厚的积蓄中掏出一点点,就足以支撑FRB的辐射能量了。因此中子星,特别是其中具有高磁场的磁陀星分支,一直是科学家所看好的FRB起源的候选者。中子星可通过某些剧烈的活动过程(如星震)释放大量的能量。

FRB 200428的发现,极大的增加了人们相信FRB起源于磁陀星的信心。即便如此,对于FRB的辐射机制依然没有定论。一种模型认为,

FRB应该是类似于脉冲星那样,是来自于磁层的相干射电脉冲;另一种看法是,FRB是来自于磁层以外的脉泽辐射,它的出发需要中心天体通过耀发提供能量。上述两种不同的辐射机制,将表现出不同的观测特性,这需要人们未来进行更加深入的探索来检验现有的理论。

我们十分期待未来不久揭开FRB的神秘面纱,完成这样的丰功伟绩自然少不了FAST的身影,也少不了科研工作者的砥砺前行。

作者简介 /

王维扬,北京大学博雅计划博士后,主要从事高能天体物理领域相关研究,如快速射电暴、中子星等的辐射过程。



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