【宇宙神秘閃爍原來是它乾的!「慧眼」衛星認證快速射電暴來自磁星】
「慧眼」衛星首席科學家張雙南在辦公室里來回踱步,時不時停下來回復一下微信上的信息。「先討論到這裏,我想一想。」回完信息后,張雙南繼續踱步,大腦飛速旋轉。

2020年4月下旬,一顆名為SGR J1935+2154的銀河系內磁星進入活躍期,出現頻繁的X射線爆發。4月28日一早,張雙南以前的學生、北京師範大學天文系講師林琳建議,讓「慧眼」盯住這顆星。

盯不盯?作為「慧眼」衛星的首席科學家,張雙南要考慮的因素很多。磁星是一種擁有極強磁場的中子星,「慧眼」以前做過觀測,但觀測到的有用成果不多。這次有沒有可能看到新現象?在昂貴的觀測時間成本和未知的科學回報之間,張雙南要做一個平衡。

十幾分鐘后,他做出決定。2020年4月28日的中午,「慧眼」衛星收到來自地面的新指令:改變原定觀測計劃,對準磁星SGR J1935+2154,觀測兩天。

正是這個決定,讓「慧眼」抓住了一次宇宙神秘閃爍的起源。2月19日,觀測結果在線發表于《自然·天文學》。論文傳送門:http://t.cn/A6tVAUYJ

圖:慧眼衛星觀測磁星(中科院高能所供圖)

△ 猜想

指令發出后,是安靜的等待。就在「慧眼」對準磁星後幾個小時,2020年4月28日格林威治時間14點34分,加拿大CHIME實驗和美國STARE2實驗同時通過射電信號看到了一個亮度極高的快速射電暴(FRB),命名為FRB 200428。

快速射電暴是2007年發現的神秘天文現象,在幾毫秒里能夠釋放出太陽一整天釋放的能量。對於這種極亮閃爍的來源,科學界有很多猜測,如兩顆緻密星併合、緻密星塌縮、磁星的爆發、中子星與小行星碰撞等,甚至還有人猜測是外星人發出的信號。

從FRB 200428的方向,科研人員推測,它與磁星SGR J1935+2154的方向大概一致,而且根據星際介質對不同頻率射電信號之間的時間延遲推算,爆發源的距離為大約3萬光年,也跟SGR J1935+2154大致相符。但這一猜測缺乏確切的觀測證據。

4月29日凌晨,中國科學院高能物理研究所(簡稱中科院高能所)的「慧眼」衛星團隊收到了新鮮熱乎的觀測數據。

一直負責從海量數據中挖掘出有用信號的高能所副研究員李承奎,很快從數據堆中發現了一個不同尋常的信號。

「看到了!」李承奎又驚又喜。「驚」是因為「慧眼」被磁星一個持續了1秒鐘的超亮X射線暴「晃了眼」,數據出現飽和。「喜」是因為「曝光過度」的那1秒鐘,出現在FRB 200428被監測到之前約8.6秒,這個時間差別正好與星際物質對射電信號的延遲相當。也就是說,在快速射電暴出現時,這顆磁星正好產生了X射線暴。

只有一種解釋能說明這種巧合:FRB 200428來自這顆磁星。

△ 實錘

2020年4月29日開始,「慧眼」衛星的值班室就像一鍋突然被煮沸了的水。李承奎和「慧眼」載荷團隊的其他科研人員開始開發處理數據飽和的代碼,對數據進行修復。這種忙碌狀態一直持續了兩天。

「數據越來越有趣,情況越來越簡單,事情越來越重要。」5月2日凌晨3點多,張雙南發了一條朋友圈。

在被修復的光變曲線上,兩個X射線脈衝形成了兩道尖峰,尖峰出現的時間顯示為2020年4月28日14點34分24秒。這兩個尖峰在時間上和射電望遠鏡探測到的FRB 200428的兩個峰高度吻合。

假設被證實。「慧眼衛星基於獨特的准直器設計,對X射線暴進行了高精度定位,從而證明了該X射線暴和快速射電暴都來自這顆磁星。這是人類首次確認快速射電暴的起源天體,也是首個起源於銀河系內的快速射電暴。對於理解快速射電暴的物理本質,這是一個重要的里程碑。」張雙南告訴《中國科學報》。

「慧眼」衛星探測到的X射線爆發,同時也被歐洲的INTEGRAL衛星、俄羅斯的KONUS-WIND探測器和義大利的AGILE衛星監測到,但由於「慧眼」衛星同時載有低能、中能、高能探測器,「它對FRB 200428的觀測數據統計性最好、能區覆蓋最寬,提供了最為豐富、精細的時變和能譜信息。『慧眼』衛星還是國際上獨立定位了該X射線暴的兩顆天文衛星之一,定位精度遠遠高於探測到FRB 200428的兩個射電望遠鏡的精度。」張雙南說。

不僅如此,「慧眼」衛星也是唯一一個給出了爆發期間X射線能譜詳細演化的設備。根據「慧眼」的數據,科研人員發現,該X射線暴峰值處的X射線能譜和其他時間段暴的能譜顯著不同,同時也與絕大多數的磁星X射線暴明顯不同。

很快,他們在天文快報上公布了這項發現,並於5月22日上傳了該研究的預印本。

△ 預印轉正 解謎繼續

由於「慧眼」等X射線衛星的科研團隊提交的論文數據多、信息量大,審稿周期長,《自然》雜誌決定先刊發幾個地面天文台對這次快速射電暴的射電研究成果,然後在《自然·天文學》子刊上刊登X射線研究成果。

即便最初上傳的只是預印本,研究數據仍令天文界振奮。從預印本刊發到如今通過同行評審正式刊發,8個多月來,預印本論文已被引用了50多次,期間,FRB 200428來自磁星的發現,被英國《自然》雜誌評為2020年十大科學發現之一,被美國《科學》雜誌列入2020年十大科學突破。

看到「慧眼」團隊發表的數據,STARE2實驗的發起人、美國加州理工學院天文學家、美國科學院院士Shrinivas Kulkarni通過郵件向張雙南提了一個建議:「如果你們能對這顆磁星做連續一個月的觀測,你們將會留下一個傳世的資料庫,會非常有科學價值。」

這個建議與張雙南的想法不謀而合。2020年5月初,「慧眼」團隊在網上公布了他們接下來的觀測計劃,寫明了具體哪段時間段地球會擋在「慧眼」和這顆磁星中間,哪段時間「慧眼」會處於關閉狀態。這一做法使得全球的天文台能夠與「慧眼」配合安排觀測。

「這一個月里,數據非常豐富,『慧眼』看到了約100個來自這顆磁星的X射線爆發,這些數據非常珍貴。」張雙南表示,「慧眼」團隊在已刊發的論文中並沒有對磁星產生快速射電暴的機製作出詳細的理論解釋,而這正是目前他們正在利用這些數據深入研究的內容。

在「慧眼」衛星穩定運行的同時,中科院高能所牽頭研製的增強型X射線時變與偏振空間天文台(eXTP)在經過十多年的預研之後,也已進入方案設計階段。「銀河系外的快速射電暴因為距離更遠,其高能對應體將非常微弱,eXTP將是探測它們的理想設備。」張雙南說。

或許,在不久的將來,快速射電暴的神秘面紗將會被徹底揭開。http://t.cn/A6tVAUY6

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