“中國(guó)天眼”再立功 科研人員獲得迄今最大快速射電暴偏振觀測(cè)樣本

在廣袤的宇宙中，偶然會(huì)有一股射電暴襲來(lái)，僅僅閃現(xiàn)幾個(gè)毫秒。究竟是誰(shuí)發(fā)出了這些射電暴?它們到底包含了什么信息?過(guò)去十幾年，天文學(xué)家一直在探尋真相。

依托“中國(guó)天眼”(FAST)，我國(guó)科研人員對(duì)重復(fù)快速射電暴FRB20201124A的近2000次爆發(fā)進(jìn)行了觀測(cè)，獲得了迄今為止最大的快速射電暴偏振觀測(cè)樣本。他們發(fā)現(xiàn)這個(gè)快速射電暴處于一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)態(tài)演化的強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中，并首次探測(cè)到快速射電暴周?chē)粋€(gè)1個(gè)天文單位(即太陽(yáng)到地球的距離)內(nèi)的磁場(chǎng)變化。這些發(fā)現(xiàn)表明，F(xiàn)RB 20201124A非常活躍，它可能來(lái)自一個(gè)雙星系統(tǒng)，該研究朝著確定快速射電暴的產(chǎn)生機(jī)制邁出關(guān)鍵一步。相關(guān)成果9月21日在線發(fā)表于《自然》和《自然·通訊》雜志。

快速射電暴是廣袤宇宙中的一種射電劇烈爆發(fā)現(xiàn)象。它持續(xù)時(shí)間極短，通常只有幾毫秒。

可別小瞧這幾毫秒的閃現(xiàn)。雖然它存在的時(shí)間非常短，但能量特別高。在這幾毫秒的時(shí)間里，它可以把地球上幾百億年的發(fā)電量，完全以射電波的形式釋放掉。

2007年發(fā)現(xiàn)首個(gè)快速射電暴以來(lái)，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個(gè)來(lái)自廣袤宇宙的快速閃光。然而，“快速射電暴的起源和能源機(jī)制卻是當(dāng)今天文學(xué)最大的謎題之一，科學(xué)家對(duì)此一直爭(zhēng)論不休。”北京大學(xué)/中科院國(guó)家天文臺(tái)研究員李柯伽強(qiáng)調(diào)。

最初，天文學(xué)家探測(cè)到的快速射電暴主要來(lái)自銀河系外。2020年，天文學(xué)家探測(cè)到了來(lái)自銀河系磁星(即磁場(chǎng)特別強(qiáng)的中子星)的快速射電暴。“這表明，有些快速射電暴起源于磁星，但那些來(lái)自銀河系外的快速射電暴的起源依然未知。同時(shí)，快速射電暴雖然有大量射電波段的觀測(cè)資料，但長(zhǎng)期以來(lái)天文學(xué)界對(duì)其核心區(qū)域的直接觀測(cè)仍然很少。”李柯伽坦言。

利用FAST，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)FRB20201124A進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。“我們?cè)?4天的82小時(shí)觀測(cè)中，測(cè)到了來(lái)自這個(gè)快速射電暴的1863個(gè)爆發(fā)脈沖信號(hào)，它的高爆發(fā)率使其成為最活躍的幾個(gè)重復(fù)暴之一。”李柯伽說(shuō)。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)這個(gè)快速射電暴的深度觀測(cè)，取得若干重要發(fā)現(xiàn)，均屬于國(guó)際首次。

他們“拍攝”到了快速射電暴的法拉第旋轉(zhuǎn)量動(dòng)態(tài)演化的“電影”。“法拉第旋轉(zhuǎn)量可以幫助我們測(cè)量宇宙環(huán)境中的磁場(chǎng)強(qiáng)度。”李柯伽解釋說(shuō)。他們首次發(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(wú)規(guī)律的短期變化，而在隨后的18天里幾乎不變。

同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)了快速射電暴的猝滅現(xiàn)象，即FRB 20201124A前期一直保持著高爆發(fā)率，然后在74小時(shí)內(nèi)突然熄滅。對(duì)此，李柯伽解釋說(shuō)：“我們一直以每隔一天或者兩天、每次一兩個(gè)小時(shí)的觀測(cè)頻率持續(xù)觀測(cè)該快速射電暴，突然有一天這個(gè)快速射電暴就看不到了，之后繼續(xù)觀測(cè)了15天也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)它的信號(hào)。它突然消失距離上次觀測(cè)正好74小時(shí)。”

“我們還首次測(cè)到快速射電暴偏振度隨電磁波波長(zhǎng)振蕩的現(xiàn)象。這些現(xiàn)象都說(shuō)明在這個(gè)快速射電暴周?chē)粋€(gè)日地距離內(nèi)的環(huán)境是非常復(fù)雜且在動(dòng)態(tài)演化著的。”李柯伽說(shuō)。

此外，通過(guò)國(guó)際合作，研究團(tuán)隊(duì)利用美國(guó)10米凱克光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，對(duì)這個(gè)快速射電暴的宿主星系進(jìn)行了深度觀測(cè)。共同通訊作者、北京大學(xué)教授東蘇勃說(shuō)，他們發(fā)現(xiàn)其宿主星系是一個(gè)約銀河系大小、富金屬的棒旋星系。

更重要的是，研究人員還發(fā)現(xiàn)，這個(gè)快速射電暴所在區(qū)域的恒星密度較低，與星系中心距離不遠(yuǎn)不近。

“我們認(rèn)為，這個(gè)環(huán)境與大質(zhì)量恒星極端爆炸導(dǎo)致的超亮超新星模型不符，也與伽馬射線暴后形成的年輕磁星模型不相符合。”李柯伽說(shuō)，這為快速射電暴起源研究提供了新認(rèn)識(shí)。

這一快速射電暴到底所來(lái)何處?《自然·通訊》一文的第一作者和通訊作者、南京大學(xué)教授王發(fā)印表示，他領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)首先發(fā)現(xiàn)了FRB 20201124A周?chē)拇艌?chǎng)改變了方向，“該現(xiàn)象與銀河系內(nèi)PSR B1259-63/LS 2883雙星相似，所以我們認(rèn)為，F(xiàn)RB 20201124A可能產(chǎn)生于磁星(即磁場(chǎng)特別強(qiáng)的中子星)和Be星(比太陽(yáng)更熱、更大、旋轉(zhuǎn)更快的恒星)組成的雙星系統(tǒng)。”

在王發(fā)印團(tuán)隊(duì)建構(gòu)的模型中，法拉第旋轉(zhuǎn)量的演化由快速射電暴輻射穿過(guò)Be星盤(pán)產(chǎn)生，當(dāng)磁星運(yùn)動(dòng)到Be星和觀測(cè)者之間時(shí)，F(xiàn)RB 20201124A周?chē)拇艌?chǎng)改變了方向。

“這項(xiàng)研究為解釋快速射電暴的起源提供了重要線索，即一部分快速射電暴可能起源于雙星系統(tǒng)。”王發(fā)印說(shuō)。(陸成寬 金鳳)