-这个宇宙“神秘电波”源头找到了!——中外科学家首次确定一个快速射电暴起源于磁星
作者:冯丽妃
发布时间:2020-11-05
浏览次数:696
-这个宇宙“神秘电波”源头找到了!——中外科学家首次确定一个快速射电暴起源于磁星

FAST望远镜夜景与快速射电暴想象图  黄琳 杨清亮 王铂钧 姜金辰拍摄的 崔起生制图

磁星释放的快速射电暴 李柯伽绘

 

快速射电暴是宇宙中的一种无线电波瞬间爆发,持续时间通常只有几毫秒,却能释放出相当于太阳一天甚至一年内释放的能量。它们往往“神龙见首不见尾”,出现一次,便再无踪迹。

作为近年来天文学界新晋“网红”,国际科学界对快速射电暴的起源提出了数十种“合理解释”,如强磁场中子星、高度活跃的星系内核、天体之间的相互碰撞,甚至不乏科学家提出它们是外星文明发出的讯号。但直接观测证据一直缺乏。

11月5日,在发表于《自然》的3篇论文中,中外科学家通过多个卫星及地面望远镜的观测认为,银河系内的一颗磁星是今年观测到的一个快速射电暴的起源。这是人类首次确定一个快速射电暴的起源,也是首次在银河系内观测到快速射电暴。

磁星“引擎”获证实

今年4月28日,一个无线电信号快速地划过宇宙,被加拿大氢强度测绘实验(CHIME)望远镜和美国瞬态天文射电发射测量2号(STARE2)望远镜捕捉到。根据发现时间,它被命名为“FRB200428”。

尽管它只闪烁了千分之一秒,科学家还是通过多个频段的测量确定了其来源——银河系内正处于活跃期的一颗磁星SGR 1935+2154。

长期以来,关于快速射电暴的来源,科学家一直有不同的推测。其中,磁星驱动理论受到广泛支持。磁星是高度磁化的年轻中子星(超新星爆炸后的致密星遗迹),表面磁场可超过1014高斯,其衰变据认为能够给射电暴、X射线、γ射线等一系列高能现象提供动力。以此次发现的活跃磁星为例,CHIME团队的Daniele Michille表示,它的磁场强到足以“把一个原子挤压成铅笔状”。

那么,这次发现是否说明快速射电暴全部来源于磁星呢?美国内华达大学拉斯维加斯分校教授张冰在接受《中国科学报》采访时表示,一个极端看法是宇宙中所有的快速射电暴都是由磁星产生的;另一个则是不否定“大自然的创造力”,存在不止一个起源。

据介绍,快速射电暴起源的相关模型有50多个,主流理论多指向大型致密天体,除磁星外,还有中子星碰撞、中子星与黑洞碰撞或黑洞碰撞等产生的“灾变性”快速射电暴,非主流模型则有外星文明讯号等。不过,这些均未得到验证。

“快速射电暴模型的丰富反映了对其实测约束的缺乏,很大原因是过去发现的爆发都在银河系外,距离遥远。”中国科学院国家天文台研究员李菂告诉《中国科学报》。他与张冰及来自北师大、北大等十几家国内外单位的合作者同一天在《自然》发表了中国“天眼”500米口径球面射电望远镜(FAST)对这一磁星的监测结果。“此次河内射电爆发的发现以及包括‘中国天眼’及‘慧眼’卫星在内多个设备对其的深度观测,提供了前所未有的信息。”他说。

珍稀的河内信号

与国外科学家同步,FAST团队一直在用“天眼”密切监视着磁星SGR 1935+2154的动态。“从4月15日到28日,我们分4个时段共计8小时监测它能否产生快速射电暴,或类似事件。”该研究第一作者、北京师范大学天文系讲师林琳在接受《中国科学报》采访时介绍。

有些遗憾的是,FAST的观测窗口错过了FRB 200428。尽管如此,它记录了在磁星高能爆发时段,特别是29个软γ射线爆发时的灵敏监测数据,有助于了解引起快速射电暴的背景。

“磁星的高能爆发有很多,是不是所有的高能爆发都会产生快速射电暴?什么样的物理机制下才会产生?我们的观测正好给出了它产生的背景。”该研究共同通讯作者、北京大学科维理天文与天体物理研究所副教授李柯伽说。

FAST团队的研究表明,大部分磁星会产生高能爆发,如γ射线爆发,并不会产生快速射电暴。原因是什么呢?他们在文中讨论了几种可能性:快速射电暴的射流比高能发射更准直,它们中的大多数都错过了地球;其低频爆发光谱较窄,脱离了FAST波段范围;其超高亮度和温度辐射机制的条件不一定总能得到满足。

这是中外团队首次证明磁星可以在银河系内近距离产生快速射电暴。STARE2团队通讯作者、美国加州理工大学的Christopher Bochenek在接受《中国科学报》采访时解释说,“如果快速射电暴来自磁星,磁星与恒星的形成有关,而银河系没有‘足够可怕’的恒星形成,这种现象就比较少”。

据了解,此次观测到的FRB200428总能量比此前观测到的河外快速射电暴的亮度低三个数量级。专家表示,此次河内的无线电脉冲发现极大地拓展了人们的认知空间,更有利于了解这种信号背后的秘密。

国际协作 中国同步

起步晚,进步快。快速射电暴起源及相关研究已经成为当前天文学界的新“网红”。

2001年7月,一个持续5毫秒的明亮射电暴抵达澳大利亚的Parkes望远镜,2007年,它被西弗吉尼亚大学天文学家Duncan Lorimer确认,成为当时唯一的此类爆发事件。直到2013年发现多个信号后,天文学家才相信它是一种真正的天体物理学事件,并将其命名为快速射电暴。

据介绍,目前发现的快速射电暴已达到1000量级。“大约每半年,人们对快速射电暴的了解就会经历一个巨大的飞跃。”张冰在同期发表于《自然》的特邀综述文章中写道,该领域的繁荣还表现在出版物和引文的稳步增长上,已经超过了伽马射线爆发领域早期的水平。

尽管如此,关于快速射电暴的起源仍有许多悬而未决的关键问题。例如,是否所有快速射电暴都会重复?它们的动力来源是否来自磁星“引擎”之外?磁星是如何产生快速射电暴的?回答这些问题都非易事。

有利的一面是,国际天文学界正在开展日益密切的协同观测,此次发现FRB200428的起源就是一个例证。“这说明当国际科学家团队聚集在一起,以不同的方式研究一个现象时,会让我们更深入地了解它。”Bochenek说,除了FAST、CHIME、STARE2之外,中国的“慧眼”X射线卫星,位于中国、西班牙、新西兰的BOOTES望远镜阵列,以及美国的LCOGT 望远镜等在这一发现中也发挥了重要作用。

在国内,开放的天文学研究设备正在吸引跨研究机构和学科领域的科研人员深入合作。“我们有世界一流的科学装置,比如FAST口径大、灵敏度高,可以看到近处更暗的和宇宙更深处的快速射电暴,这都是别人做不了的。”林琳说。同时,从观测到数据处理再到理论解释,FAST联合观测团队中专家间的高效协作,以及该团队与“慧眼”团队的流畅沟通,也让她印象深刻。

在李柯伽看来,如果把快速射电暴看作是“天时”,那么,“天眼”“慧眼”望远镜对宇宙最深处的观测就是“地利”,而联合团队的成员各司其职,在发挥各自长处的同时相互协作就是“人和”。只有三者兼具,才能做出好的成果。

射电暴观测项目作为一个为期5年的FAST优先重大计划今年刚刚启动,将进一步深入观测射电暴事件,探测它们的起源,追溯它们的辐射方式。“这是一个很重要的前沿方向,对宇宙深处快速射电暴的观测,将为人们了解宇宙增添一个新工具。FAST正在作独特的重要贡献。”FAST首席科学家李菂说。

在这一方面,除“天眼”“慧眼”外,目前在建的长波段射电望远镜阵列“天籁”以及引力波探测器“天琴”“阿里”等未来也将加入快速射电暴协同观测阵列,通过多波段协同,了解这种神秘“宇宙电波”的秘密。



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