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让人又爱又恨的快速射电暴

来源:光明网2019-03-01 18:50

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  20世纪雷达技术的发展,带动了射电天文学的兴起。回首人类首次发现脉冲星的射电信号,弹指间已过了50余载。全球科学家们斥巨资建造大型射电望远镜,致力于探索宇宙中的神秘信号。

  前不久,加拿大氢强度测绘实验(CHIME)观测到了13 个暂歇的信号源,其中有一个特殊的信号源,产生了6次无规律极亮而短促的爆发。这一重大的发现,引起了诸多天文学者的关注,更点燃了无数公众对宇宙神秘信号的好奇心。它们到底是何方神圣?它的产生机制又是什么?

  天文学界将这些极亮而短促的信号,称之为快速射电暴(Fast Radio Burst, FRB)。顾名思义,“快速”指的是其发生的时间非常短,大约在0.1-10个毫秒左右,“射电”指的是其辐射波段主要为无线电波段,“暴”则是指一种释放大量能量的暂现过程,故而快速射电暴指的是一种毫秒级暂现射电天文信号。

让人又爱又恨的快速射电暴

图1.FRB 010724频率-时间图

(图片来自参考文献[1])

  2007年,Lorimer 等人在分析已存档的脉冲星巡天数据时,发现第一例FRB,见图1[1];随后,Keane、Thornton 等团队陆续发现了更多例FRB[2-3]。这标志着FRB的研究正式成为时域天文学的一个重要新方向。迄今为止,我们共探测到了60余个FRB信号源,它们在天图中几乎呈均匀分布。

  FRB究竟距离我们多远呢?我们知道电磁波在宇宙中传播时,通常受到星际介质的影响,高频电磁信号总是比低频信号更早到达接收机,这一现象就是电磁波的色散,如图2。色散的程度取决于传播路径的物质密度以及传播的距离,因此,我们可以通过不同频率到达接收机的时差,得出色散量的大小,进而估计信号源与我们的距离。根据色散量的估计,我们发现所有的FRB,都是来自银河系以外的起源。

让人又爱又恨的快速射电暴

图2.不同频率电磁波受色散影响,到达探测器的时间不同

(图片来自https://phys.org/news/2018-04-fast-radio.html)

  FRB好比一群狡猾的罪犯,出现地点随机,作案的时间极短,因此我们很难捕捉到它们的踪迹。然而,如果有那么一两个成员喜欢在同一地点重复作案,那么兴许我们守株待兔,更容易捕捉到它。FRB 121102与FRB 180814.J0422+73,就是这样两名特殊的成员,它们是迄今为止看到的唯二的重复暴源。

  重复FRB,在天文研究中尤为重要,它们可能向我们揭示更多关于FRB起源的奥秘。

  2012年,Arecibo望远镜在御夫座天区发现一例FRB事件,后续的观测中发现,在同一位置,产生了多组重复的FRB,进而认证了第一个重复暴FRB 121102。2017年,FRB 121102的宿主星系得到认证,其宿主星系为一个距离我们大约30亿光年的矮恒星形成星系[4],如图3所示。一年后,通过偏振的测量,天文学家发现FRB 121102可能处于一个极高的磁场环境中,这一点与其他非重复暴大不相同[5]。

让人又爱又恨的快速射电暴

图3.FRB 121102的宿主星系

(图片来自https://www.gemini.edu/node/12620)

  2019年,《Nature》报道了第二个重复暴FRB 180814.J0422+73的探测。通过色散量,可估计第二个重复暴距离我们大约15亿光年[6]。关于第二个重复暴的宿主星系,以及身处怎样的环境,还需要进一步的确认。

  值得关注的是,二者的“子脉冲”存在相似的频率-时间结构,这表明两个重复暴可能具有相同辐射机制。

  FRB具有极高的光度,它们在短短几毫秒就可以辐射太阳大概一天释放的能量。科学家推测FRB的产生极有可能与致密天体的活动有关。

  致密天体是一些体积很小,但质量极高的天体。比如,典型中子星的大小只有10公里左右,但是它的质量却能达到太阳的1.4倍。我们通常说的致密天体有三种,分别是白矮星、中子星和黑洞。

  起初,人们认为致密天体的并合有可能是FRB的起源,然而重复暴的发生并不支持这一类灾难性现象的理论。虽然目前对于FRB重复暴的研究中尚未发现周期性重复的信号,但并不妨碍天文学家将脉冲星列为最有可能的FRB起源。

  脉冲星具有极高的磁场,可产生极强的相干射电辐射。内华达大学拉斯维加斯分校教授张冰提出FRB可能来自于一束等离子体流与脉冲星的相互作用[7];哥伦比亚大学的Beloborodov、Metzger等人认为可能是一类磁场极强的脉冲星(磁星)耀发激发了FRB的产生[8-9];此外,脉冲星的星震活动也有可能作为FRB的起源[10]。究竟何种活动促成了FRB的产生,科学界目前尚无定论。

  随着望远镜技术的进步,不久的将来我们将探测到更多FRB的案例。通过统计分析,我们可估计FRB在整个天图的事件率为每天一千到一万个。

  在FRB领域研究方面,我国的天眼FAST、天籁等射电望远镜正积极参与,相信不久的将来,随着探测手段的进步,理论研究的不断深入,人们终将揭开FRB的神秘面纱。

  参考文献:

  [1] Lorimer, D. R., Bailes, M., McLaughlin, M. A., Narkevic, D. J., & Crawford, F. 2007, Science, 318, 777

  [2] Keane, E. F., Stappers, B. W., Kramer, M., & Lyne, A. G. 2012, MNRAS, 425, L71

  [3] Thornton, D., Stappers, B., Bailes, M., et al. 2013, Science, 341, 53

  [4] Chatterjee, S., Law, C. J., Wharton, R. S., et al. 2017, Nature, 541, 58

  [5] Michilli, D., Seymour, A., Hessels, J. W. T., et al. 2018, Nature, 553, 182

  [6] The CHIME/FRB Collaboration, :, Amiri, M., et al. 2019, arXiv:1901.04525

  [7] Zhang, B. 2017, ApJ, 836, L32

  [8] Beloborodov, A. M. 2017, ApJL, 843, L26

  [9] Metzger, B. D., Berger, E., & Margalit, B. 2017, ApJ, 841, 14

  [10] Wang, W., Luo, R., & Han, Y. 2018 ApJ, 852, 140

  作者:王维扬,系国家天文台宇宙暗物质暗能量研究团组博士一年级。研究方向为快速射电暴、高能天体物理,已发表相关领域4篇sci文章。

[ 责编:蔡琳 ]
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