#你不知道的科學那些事兒# 【這個宇宙「神秘電波」源頭找到了!中外科學家首次確定一個快速射電暴起源於磁星】快速射電暴是宇宙中的一種無線電波瞬間爆發,持續時間通常只有幾毫秒,卻能釋放出相當於太陽一天甚至一年內釋放的能量。它們往往「神龍見首不見尾」,出現一次,便再無蹤跡。

作為近年來天文學界新晉「網紅」,國際科學界對快速射電暴的起源提出了數十種「合理解釋」,如強磁場中子星、高度活躍的星系內核、天體之間的相互碰撞,甚至不乏科學家提出它們是外星文明發出的訊號。但直接觀測證據一直缺乏。

11月5日,在發表于《自然》的3篇論文中,中外科學家通過多個衛星及地面望遠鏡的觀測認為,銀河系內的一顆磁星是今年觀測到的一個快速射電暴的起源。這是人類首次確定一個快速射電暴的起源,也是首次在銀河系內觀測到快速射電暴。

磁星「引擎」獲證實

今年4月28日,一個無線電信號快速地劃過宇宙,被加拿大氫強度測繪實驗(CHIME)望遠鏡和美國瞬態天文射電發射測量2號(STARE2)望遠鏡捕捉到。根據發現時間,它被命名為「FRB200428」。

儘管它只閃爍了千分之一秒,科學家還是通過多個頻段的測量確定了其來源——銀河系內正處於活躍期的一顆磁星SGR 1935+2154。

長期以來,關於快速射電暴的來源,科學家一直有不同的推測。其中,磁星驅動理論受到廣泛支持。磁星是高度磁化的年輕中子星(超新星爆炸后的緻密星遺迹),表面磁場可超過1014高斯,其衰變據認為能夠給射電暴、X射線、γ射線等一系列高能現象提供動力。以此次發現的活躍磁星為例,CHIME團隊的Daniele Michille表示,它的磁場強到足以「把一個原子擠壓成鉛筆狀」。

那麼,這次發現是否說明快速射電暴全部來源於磁星呢?美國內華達大學拉斯維加斯分校教授張冰在接受《中國科學報》採訪時表示,一個極端看法是宇宙中所有的快速射電暴都是由磁星產生的;另一個則是不否定「大自然的創造力」,存在不止一個起源。

據介紹,快速射電暴起源的相關模型有50多個,主流理論多指向大型緻密天體,除磁星外,還有中子星碰撞、中子星與黑洞碰撞或黑洞碰撞等產生的「災變性」快速射電暴,非主流模型則有外星文明訊號等。不過,這些均未得到驗證。

「快速射電暴模型的豐富反映了對其實測約束的缺乏,很大原因是過去發現的爆發都在銀河系外,距離遙遠。」中國科學院國家天文台研究員李菂告訴《中國科學報》。他與張冰及來自北師大、北大等十幾家國內外單位的合作者同一天在《自然》發表了中國「天眼」500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)對這一磁星的監測結果。「此次河內射電爆發的發現以及包括『中國天眼』及『慧眼』衛星在內多個設備對其的深度觀測,提供了前所未有的信息。」他說。

珍稀的河內信號

與國外科學家同步,FAST團隊一直在用「天眼」密切監視著磁星SGR 1935+2154的動態。「從4月15日到28日,我們分4個時段共計8小時監測它能否產生快速射電暴,或類似事件。」該研究第一作者、北京師範大學天文系講師林琳在接受《中國科學報》採訪時介紹。

有些遺憾的是,FAST的觀測窗口錯過了FRB 200428。儘管如此,它記錄了在磁星高能爆發時段,特別是29個軟γ射線爆發時的靈敏監測數據,有助於了解引起快速射電暴的背景。

「磁星的高能爆發有很多,是不是所有的高能爆發都會產生快速射電暴?什麼樣的物理機制下才會產生?我們的觀測正好給出了它產生的背景。」該研究共同通訊作者、北京大學科維理天文與天體物理研究所副教授李柯伽說。

FAST團隊的研究表明,大部分磁星會產生高能爆發,如γ射線爆發,並不會產生快速射電暴。原因是什麼呢?他們在文中討論了幾種可能性:快速射電暴的射流比高能發射更准直,它們中的大多數都錯過了地球;其低頻爆發光譜較窄,脫離了FAST波段範圍;其超高亮度和溫度輻射機制的條件不一定總能得到滿足。

這是中外團隊首次證明磁星可以在銀河系內近距離產生快速射電暴。STARE2團隊通訊作者、美國加州理工大學的Christopher Bochenek在接受《中國科學報》採訪時解釋說,「如果快速射電暴來自磁星,磁星與恆星的形成有關,而銀河系沒有『足夠可怕』的恆星形成,這種現象就比較少」。

據了解,此次觀測到的FRB200428總能量比此前觀測到的河外快速射電暴的亮度低三個數量級。專家表示,此次河內的無線電脈衝發現極大地拓展了人們的認知空間,更有利於了解這種信號背後的秘密。

國際協作 中國同步

起步晚,進步快。快速射電暴起源及相關研究已經成為當前天文學界的新「網紅」。

2001年7月,一個持續5毫秒的明亮射電暴抵達澳大利亞的Parkes望遠鏡,2007年,它被西弗吉尼亞大學天文學家Duncan Lorimer確認,成為當時唯一的此類爆發事件。直到2013年發現多個信號后,天文學家才相信它是一種真正的天體物理學事件,並將其命名為快速射電暴。

據介紹,目前發現的快速射電暴已達到1000量級。「大約每半年,人們對快速射電暴的了解就會經歷一個巨大的飛躍。」張冰在同期發表于《自然》的特邀綜述文章中寫道,該領域的繁榮還表現在出版物和引文的穩步增長上,已經超過了伽馬射線爆發領域早期的水平。

儘管如此,關於快速射電暴的起源仍有許多懸而未決的關鍵問題。例如,是否所有快速射電暴都會重複?它們的動力來源是否來自磁星「引擎」之外?磁星是如何產生快速射電暴的?回答這些問題都非易事。

有利的一面是,國際天文學界正在開展日益密切的協同觀測,此次發現FRB200428的起源就是一個例證。「這說明當國際科學家團隊聚集在一起,以不同的方式研究一個現象時,會讓我們更深入地了解它。」Bochenek說,除了FAST、CHIME、STARE2之外,中國的「慧眼」X射線衛星,位於中國、西班牙、紐西蘭的BOOTES望遠鏡陣列,以及美國的LCOGT 望遠鏡等在這一發現中也發揮了重要作用。

在國內,開放的天文學研究設備正在吸引跨研究機構和學科領域的科研人員深入合作。「我們有世界一流的科學裝置,比如FAST口徑大、靈敏度高,可以看到近處更暗的和宇宙更深處的快速射電暴,這都是別人做不了的。」林琳說。同時,從觀測到數據處理再到理論解釋,FAST聯合觀測團隊中專家間的高效協作,以及該團隊與「慧眼」團隊的流暢溝通,也讓她印象深刻。

射電暴觀測項目作為一個為期5年的FAST優先重大計劃今年剛剛啟動,將進一步深入觀測射電暴事件,探測它們的起源,追溯它們的輻射方式。「這是一個很重要的前沿方向,對宇宙深處快速射電暴的觀測,將為人們了解宇宙增添一個新工具。FAST正在作獨特的重要貢獻。」FAST首席科學家李菂說。

在這一方面,除「天眼」「慧眼」外,目前在建的長波段射電望遠鏡陣列「天籟」以及引力波探測器「天琴」「阿里」等未來也將加入快速射電暴協同觀測陣列,通過多波段協同,了解這種神秘「宇宙電波」的秘密。

相關論文信息:

http://t.cn/A6G5prqe

http://t.cn/A6G5prqF

http://t.cn/A6G5prqs

http://t.cn/A6G5pr5v

《中國科學報》 (2020-11-05 第1版 要聞)http://t.cn/A6Gqe4XE

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