“天眼”立功：中國天文學(xué)家觀測(cè)到首例持續(xù)活躍快速射電暴

更新時(shí)間：2022-06-09 07:35:24作者：佚名

快速射電暴（Fast Radio Burst, FRB），是發(fā)生在宇宙中頗為神秘的射電爆發(fā)活動(dòng)，其物理起源至今未知。自2007年科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)快速射電暴之后，這種天體物理現(xiàn)象成為近年來天文學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。天文學(xué)家們?cè)噲D從這些來自宇宙深處的噼啪作響中，得到關(guān)于宇宙星系際介質(zhì)的重要啟發(fā)。
北京時(shí)間6月8日23時(shí)，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》(www.nature.com)刊發(fā)了中國國家天文臺(tái)李菂研究員團(tuán)隊(duì)關(guān)于快速射電暴的又一重要觀測(cè)研究成果。團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一個(gè)新探測(cè)到的活躍快速射電暴FRB 20190520B，并發(fā)現(xiàn)其與一個(gè)致密的射電持續(xù)源相關(guān)，最終將其定位到了一個(gè)距離我們30億光年的矮星系。6月9日，論文的第一撰稿人、國家天文臺(tái)博士后牛晨輝在接受澎湃新聞（www.thepaper.cn）記者采訪時(shí)表示, FRB 20190520B與人類首個(gè)發(fā)現(xiàn)的重復(fù)快速射電暴FRB 20121102A有著一些相似特征，但其宿主星系環(huán)境顯示更為復(fù)雜。而且不同于其他快速射電暴只在窗口期內(nèi)暴發(fā)，F(xiàn)RB 20190520B持續(xù)活躍。這一發(fā)現(xiàn)或?qū)斫饪焖偕潆姳┢鹪春头诸悗碇匾獑⑹尽?br/>2007年，美國天文學(xué)家鄧肯.洛里默（Lorimer）在分析澳大利亞帕克斯（Parkes）望遠(yuǎn)鏡2001年的觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，首次發(fā)現(xiàn)了快速射電暴這一神秘的天文現(xiàn)象?？焖偕潆姳╇姶泡椛涿}沖的持續(xù)時(shí)間只有幾毫秒，卻能夠釋放出相當(dāng)于太陽在一整年內(nèi)釋放的能量。近年來，快速射電暴被天文學(xué)家用來研究星系際介質(zhì)（星系與星系之間）中的物質(zhì), 例如重子的含量等。
“這次發(fā)現(xiàn)的首大亮點(diǎn)，是重復(fù)快速射電暴FRB 20190520B有著持續(xù)的活躍度?！迸３枯x向澎湃新聞介紹說。
2019年，李菂團(tuán)隊(duì)利用位于中國貴州省境內(nèi)的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)——“中國天眼”,首次探測(cè)到了重復(fù)快速射電暴FRB20190520B，頻率為1.05-1.45 GHz。研究者在最初的觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)了4次爆發(fā)，在2020年4月至2020年9月之間的每月跟蹤觀測(cè)中，累計(jì)18.5小時(shí)內(nèi)觀測(cè)到75次爆發(fā)，這表明該射電暴持續(xù)保持著較高的活躍度。
牛晨輝稱，目前全球觀測(cè)到的快速射電暴有近500余例，其中重復(fù)快速射電暴只有24例，但其中活躍的重復(fù)暴不到10例。“即便是能夠重復(fù)觀測(cè)到的快速射電暴，大部分都有一個(gè)活躍的窗口期。例如此前首例發(fā)現(xiàn)的重復(fù)快速射電暴FRB 20121102A，我們可以在1小時(shí)內(nèi)觀測(cè)到100多次爆發(fā)，但隨后就會(huì)衰減甚至觀察不到，而在對(duì)FRB 20190520B的觀測(cè)中，我們嘗試了不同的時(shí)間窗口，而每次都能觀測(cè)到其爆發(fā)?！?img src="http://img.ccschy.com/d/file/p/2022/06/09/07/q03a5bhxhkj.jpg"/>
“這樣持續(xù)活躍的重復(fù)快速射電暴目前只有這一個(gè)。”牛晨輝說。
此次觀測(cè)研究的另一重要發(fā)現(xiàn)，是新觀測(cè)到的重復(fù)快速射電暴FRB 20190520B與一個(gè)致密的射電持續(xù)源相關(guān)聯(lián)，這是第二個(gè)被發(fā)現(xiàn)伴隨著致密射電持續(xù)源的快速射電暴。
作為CRAFTS項(xiàng)目的一部分，李菂團(tuán)隊(duì)與卡爾G.揚(yáng)斯基甚大陣列(VLA)合作, 通過使用“realfast”快速瞬態(tài)探測(cè)系統(tǒng)對(duì)重復(fù)快速射電暴FRB 20190520B定位, 并確定了其宿主星星系（J160204.31?111718.5）, 這是一個(gè)紅移為z = 0.241±0.001的矮星系，相當(dāng)于光度距離為1218 Mpc，消光修正后的Hα亮度LHα = 7.4±0.2 × 1040 erg s?1，星系的成星速率約為0.41 M⊙yr?1。
據(jù)介紹，在FRB 20190520B之前，已有超過12個(gè)快速射電暴被定位，包括5個(gè)重復(fù)快速射電暴，但只有首個(gè)被發(fā)現(xiàn)的重復(fù)快速射射電暴FRB 20121102A與致密的射電持續(xù)源相關(guān)聯(lián)，F(xiàn)RB 20121102A同樣存在于一個(gè)類似的矮星系中。
牛晨輝告訴澎湃新聞，“FRB 20121102A是已知的第一個(gè)伴隨著致密的射電持續(xù)源(PRS)的重復(fù)快速射電暴。另一個(gè)重復(fù)快速射電暴FRB 20201124A也與射電持續(xù)源相關(guān)。然而，分辨率更高的觀測(cè)表明，其射電持續(xù)源的亮度與宿主星系中恒星形成區(qū)相一致，也即是說這個(gè)射電持續(xù)源是由恒星形成區(qū)產(chǎn)生。”相比之下, 與FRB 20190520B對(duì)應(yīng)的射電持續(xù)源不是來自恒星形成區(qū)，因?yàn)樗墓舛纫馕吨阈切纬伤俾始s為10 M⊙yr-1，這相當(dāng)于宿主星系實(shí)際測(cè)量到的恒星形成速率的25倍，也是同質(zhì)量星系最高觀測(cè)到的恒星形成速率的5倍。因此，研究者認(rèn)為其更有可能與一個(gè)致密的持續(xù)射電源相關(guān)聯(lián)。
而此次觀測(cè)研究最特別之處，是此前的研究認(rèn)為，宿主星系對(duì)快速射電暴色散量(Dispersion Measurement, DM)的影響程度通常很小，但李菂研究員團(tuán)隊(duì)經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RB20190520B宿主星系的色散量約為903 pc cm-3 ，這比此前已知的FRB宿主星系的色散量平均值高出近一個(gè)數(shù)量級(jí)。
色散量是天體物理學(xué)中一個(gè)重要的測(cè)量值。據(jù)了解，隨著電磁輻射在充滿星際介質(zhì)和星系際介質(zhì)的空間里傳播，色散現(xiàn)象會(huì)使得射電輻射的不同頻率成分到達(dá)地球的時(shí)間不一樣。而測(cè)量到達(dá)時(shí)間隨頻率變化，就可以得到“色散量”。該測(cè)量量可以看成是從快速射電暴發(fā)出到地球一路上介質(zhì)中電子密度對(duì)徑向距離的積分，包含了這個(gè)方向上很大一段宇宙尺度內(nèi)的等離子體分布信息。
如果能得到一個(gè)快速射電暴的總DM值，則可以將該DM值分解成幾個(gè)部分：銀河系星際介質(zhì)的DM，F(xiàn)RB宿主星系中的DM，以及星系之間中的DM。DM(宿主星系) = DM(快速射電暴)? DM(銀河系) —DM (星系間介質(zhì))。
牛晨輝對(duì)澎湃新聞?wù)f,“簡(jiǎn)而言之，宿主星系的色散量，可以對(duì)應(yīng)宿主星系環(huán)境中等離子體的濃度，從而反映該環(huán)境的性質(zhì)和特征。”
研究者們通過計(jì)算得知，F(xiàn)RB 20190520B宿主星系的DM 約為 903 pc cm-3，而已知的首個(gè)重復(fù)快速射電暴FRB 20121102A的DM(宿主星系)的大小約為300 pc cm-3 ，F(xiàn)RB 20190520B顯示的DM(宿主星系)幾乎是FRB 20121102A的3倍。對(duì)此，研究者們猜測(cè)，如果DM(宿主星系)相當(dāng)大的一部分是來自于射電暴周圍介質(zhì)，那么射電暴的形成可能與致密的射電持續(xù)源和變化的磁場(chǎng)有關(guān)，而FRB 20121102A和FRB 20190520B這類重復(fù)快速射電暴更像是處于演化早期的射電暴。
研究者總結(jié)到，“無論是重復(fù)的、還是非重復(fù)快速射電暴，都可能包含著不同的子類，這些子類要么處于不同的演化階段，要么產(chǎn)生于不同的物理機(jī)制。”
中國天文學(xué)家們對(duì)于快速射電暴的探索和研究還在繼續(xù)。牛晨輝對(duì)澎湃新聞表示，CRAFTS項(xiàng)目是李菂研究員負(fù)責(zé)的FAST優(yōu)先重大項(xiàng)目,快速射電暴的搜尋工作是該項(xiàng)目的一個(gè)重要方向。國家天文臺(tái)朱煒瑋研究員負(fù)責(zé)的FAST另一優(yōu)先重大項(xiàng)目“快速射電暴”項(xiàng)目為FRB 20190520B的后隨觀測(cè)提供了重要支撐。
“我們對(duì)FRB 20190520B開展了每周的常規(guī)監(jiān)測(cè),截止目前已經(jīng)獲取了數(shù)百次爆發(fā)樣本,結(jié)合這些樣本我們將對(duì)其色散演化、能量分布、快速射電暴脈沖特征開展后續(xù)研究?！迸３枯x說。
論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-022-04755-5