中國天眼FAST重大發現為快速射電暴起源研究提供關鍵觀測證據

新浪科技訊 北京時間3月18日消息，《科學》雜志發表題為“Frequency Dependent Polarization of Repeating Fast Radio Bursts - Implications for Their Origin”的研究論文，指出重復快速射電暴（Fast Radio Burst， FRB）處在類似超新星遺跡的復雜環境中。

該論文創新性地利用偏振頻率演化關系研究快速射電暴周邊環境，首次提出了能夠解釋重復快速射電暴偏振頻率演化的統一機制，為區分重復快速射電暴起源的眾多理論模型提供了關鍵觀測證據。之江實驗室智能計算平臺研究中心研究專家馮毅為該論文的唯一第一作者。之江實驗室計算天文首席科學家李菂研究員為該論文的唯一通訊作者。

快速射電暴，一種遙遠宇宙中的無線電波大爆發，持續時間只有幾毫秒，卻能夠釋放出相當于太陽在一整天內釋放的能量。自2007年射電天文學家Duncan Lorimer教授和他的團隊首次發現快速射電暴之后，這種新的天體物理現象成為天文學領域的研究熱點。觀測上發現，一些快速射電暴會重復爆發。

對于這個宇宙深處“神秘信號”的起源，科學家們有很多理論推測——磁星巨耀發、脈沖星的巨脈沖、中子星穿越小行星帶、雙黑洞并合……這些會產生巨大能量的天體活動都被認為是快速射電暴的可能起源。△快速射電暴起源推測 來源：Jason Hessels

△快速射電暴起源推測 來源：Jason Hessels

尋找來自宇宙深處的快速射電暴源頭非常困難。“基于現有的天文設備條件，很難直接觀測到銀河系之外的起源細節。”馮毅說道。

“絕大多數快速射電暴只在射電波段有信號，缺乏多波段的觀測提供額外信息。過去是守株待兔地努力確認對應體，然而由于距離太過遙遠，即使探測到爆發，也難以確定快速射電暴的基礎物理機制。”馮毅進一步解釋道。

“快速射電暴信號在傳播過程中，偏振特征會受到周邊星際介質的影響，我們能夠通過分析快速射電暴的偏振等特征限制它的輻射機制，也能夠推測它所穿過的介質的磁感應強度和電子數密度等信息。”李菂指出。

利用射電望遠鏡“中國天眼”FAST和美國GBT對一組重復快速射電暴脈沖的偏振特征進行系統分析后，馮毅等研究人員發現，樣本集中的重復快速射電暴都呈現出低頻線偏振度低，高頻線偏振度高的特征。這種特殊的頻率演化關系說明，樣本集中的快速射電暴暴源所處的環境都很復雜，具有很強的磁場和很高的電子數密度，和超新星遺跡、脈沖星風云的環境特征相吻合。也就是說，這些快速射電暴極有可能處在超新星遺跡、脈沖星風云等環境中。

△重復快速射電暴偏振頻率演化關系。不同顏色的線代表不同的快速射電暴的偏振隨頻率演化關系曲線，每條線僅用一個參數σRM擬合。σRM越大代表快速射電暴所處的環境越復雜。

如圖所示，重復暴的線偏振度存在隨頻率降低而降低的統一趨勢，并且這種頻率演化關系可以通過單一參數“RM彌散（σRM）”量化描述，這排除了通道內混淆（intra-channel depolarization）、基于輻射區磁層高度變化的脈沖星偏振內稟頻率演化（intrinsic frequency evolution）模型等其他解釋。基于此，李菂團隊與云南大學楊元培教授、普林斯頓魯文賓博士、內華達大學張冰教授等人合作構建了基于多路徑散射的介質模型，可以進一步約束輻射區的空間尺度、密度漲落、磁場構型等重要物理性質。

李菂表示，這項工作充分結合了FAST的靈敏度高優勢和快速射電暴這一國際熱點前沿的豐富觀測資源，為構建完整的快速射電暴起源模型提供了重要的觀測基礎。FAST的持續深度監測結合其他先進設備，有望在未來2-3年回答關于FRB起源的一系列關鍵問題，例如重復暴與非重復暴是否有統一的起源？

目前，之江實驗室正在研究打造基于FAST的天文智能計算平臺，將借力智能計算與人工智能技術，加速天文領域的科學研究。

“利用智能計算，可以深度挖掘FAST高時頻宇宙信號采樣數據，探測迄今世界最短時標的天體輻射現象，探索宇宙的‘時間前沿’無人區，力爭理解FRB起源。”李菂說道。

這一研究成果已發表在《科學》。

新聞背景：

超新星是某些恒星在演化接近末期時經歷的一種劇烈爆炸。這種爆炸極其明亮，過程中所突發的電磁輻射經常能夠照亮其所在的整個星系，并可能持續幾周至幾個月才會逐漸衰減。而在此期間，一顆超新星所釋放的輻射能量可以與太陽在其一生中輻射能量的總和相當。恒星通過爆炸可以將其大部分甚至幾乎所有物質以高至十分之一光速的速度向外拋散，并向周圍的星際物質輻射激波。這種激波會導致一個由膨脹的氣體和塵埃構成的殼狀結構形成，這被稱作超新星遺跡。

脈沖星風云是一種在超新星遺跡外殼內發現的星云，由中央脈沖星產生的風驅動。脈沖星是高速轉動的強磁場中子星，是大質量恒星壽命晚期發生超新星爆發的過程中形成的，其半徑只有10千米左右，而典型磁場約為一萬億高斯，相當于地球磁場的兩萬億倍。