您当前的位置: 首页 >  博客资讯

“中国天眼FAST”重大发现:确认高能快速射电暴起源关键证据

2007年时,西弗吉尼亚大学的天体物理学家邓肯・洛里默(Duncan Lorimer)给他的学生大卫・纳克维克(David Narkevic)分配了一个任务,遍历澳大利亚帕克斯射电望远镜在2001年接收到的数据。

结果在2001年7月24日发现了一个极其神秘的信号,持续时间不到5毫秒,方位是小麦哲伦星系方向偏离约3°的虚空,这个发现揭开了二十一世纪最神秘的发现之一:快速射电暴,这个信号也被称为“Lorimer Burst”,编号为:FRB 010724,快速射电暴(Fast radio burst,简称:FRB)发现的第一个信号。

洛里默暴C人类观测到的第一个快速射电暴

快速射电暴:科学家也不知道它是怎么产生的

有了信号特征,科学家在搜寻过去的射电望远镜记录时发现了很多FRB信号,比如2015年时又从绿岸射电望远镜的资料中发现了FRB 110523,由于它持续时间极短,而且射电望远镜记录的信号浩如烟海,因此每次科学家去查阅过去的数据总是有一些新发现。

绿岸射电望远镜

科学家对这些信号十分好奇,因为它的出现时间极为短暂,而且能量极大,科学家一直都搞不清楚宇宙中究竟有什么天体能以这样的机制释放能量,但仅凭这些射电信号科学家无法分析,而且都是历史记录,没有X射线以及光学和红外和伽马射线观测设备对着这片天空。

帕克斯天文台的射电望远镜

机会很快就来了,2015 年1月19日,澳大利亚国家科学局 (CSIRO) 的天文学家报告称帕克斯天文台的射电望远镜首次现场观测到快速射电暴,同时天文台调动各个波段的观测设备对准了这个方向,结果是令人震惊的:光学、红外、紫外线或X射线等所有波段观测都是一片空白!

加州帕萨迪纳卡内基研究所的团队成员曼西・卡斯利瓦尔博士称,这个结果排除了一些可能的候选者,比如长伽马射线爆发和附近的超新星等,那么科学家将面临一个非常尴尬的局面,就现阶段而言,只能记录却无法深入研究。

发现重复射电暴信号

2017年8月26日,天文学家使用绿岸望远镜的数据检测到的FRB 121102在5至8GHz的上出现了重复,并且还发现了另外15个重复的FRB信号,而且FRB 180916还是一个16.35天重复一次的信号。并且有多个FRB还处在“高度活动状态,鼓励进行后续观察”。

河外还是河内:科学家一头雾水

2015年时从绿岸望远镜收集的历史数据中发现了 FRB 110523,对这个第一个检测到线性极化的 FRB (允许测量法拉第旋转)。对信号色散延迟的测量表明,这次爆发来自河外,可能距离我们60亿光年远,河外起源,而且远达60亿光年都能让科学家探测到,这个信号的功率究竟有多大?让科学家颇为头痛。

但在2020年4月加拿大的CHIME射电望远镜观测到了一个源自银河系内的信号,再次让科学家有点懵逼,这表示这种极端的天体可能就隐藏在银河系内某个位置,如此可怕的天体居然在后院,而科学家却什么都不知道。

加拿大的CHIME射电望远镜

中国天眼FAST”重大发现:超高能快速射电暴起源关键证据

究竟是什么成因?科学家也想知道,对于公众而言那些重复的信号尤其感兴趣,比如2021年6月,加拿大的CHIME射电望远镜观测到500多个FRB就让公众们颇为兴奋,似乎宇宙中到处都有外星人在向地球招手。

显然科学家是不会接受这个解释的,有科学家提出了一些假说,比如合并中的黑洞和中子星,也有科学家认为与伽玛暴有关,还有人则认为与中子星的爆发有关,比如银河系第一个快速射电暴的被识别起源于磁星SGR 1935+2154,表明磁星可能是快速射电暴的一个来源。

SGR 1935+2154

如何来证明呢?

有科学家提出,基于快速射电暴可能的产生机制,每天可能高达数百次!而快速射电暴由于能量有高有低,即使高的也相当于月球上手机发出的信号的千分之一,那么发现更多的射电暴信号与更强的探测机制就成了必要手段。

FAST出手:便知有没有!

2016年9月,中国500米口径的球面射电望远镜落成,试运行期间的2017年8月就发现了两颗新的脉冲星,到2018年9月,FAST已经发现44颗新脉冲星。

FAST是从2019年8月29日开始入局关注FRB的、FAST首席科学家李表示,由于FAST超大口径与前所未有的灵敏度,它能捕捉到其他望远镜无法观测的低能量脉冲,因此决定对FRB 121102(第一个重复FRB),结果观测结果远超预期,从2019年8月29日到10月29日,FAST用59.5小时的观测时间共观测到了1652次FRB。

这表示FRB对于某种天体来说是极为频繁的事件,而且它可能在天空中的任何位置发生,当时中国科学技术大学的理论物理学家戴子高表示,FRB 121102很可能是一颗磁陀星,FRB不过是其产生的“星震”,当外层在星体磁场突然变化的压力下发生改变时就会产生这种机制。

不过FAST需要更多的样本来验证这个机制,李也表示,FAST将会继续监测FRB 121102,同时调查其他重复源。他还透露,他的团队正在研究一个尚未公开的源,它的行为比FRB 121102“更激进”。

从2020年开始,我国FAST科研团队连续在《自然》上发表快速射电暴的研究成果:

2020年10月28日:《快速射电暴的偏振曲线多样性》

2020年11月4日:《银河系磁星爆发态中没有射电脉冲》

其中在《快速射电暴的偏振曲线多样性》中,研究团队证认了之前由澳大利亚Parkes望远镜发现的快速射电暴FRB180301是一个重复暴,首次发现了快速射电暴的偏振多样性,特别是发现偏振角在短短的毫秒时间内发生了系统的改变。此前对于快速射电暴的成因已经比较倾向于磁星,但一直有两种观点:

1、辐射来源于磁星的磁层, 即产生于磁场很强的致密星周围的强磁场电离环境;

2、辐射来源于激波相互作用驱动的辐射;

两种观点无法确认,但FRB180301中偏振位置角迅速变化这一发现似乎确定了快速射电暴来源于致密天体的磁层中。而在《银河系磁星爆发态中没有射电脉冲》中对磁星SGRJ1935+2154的研究发现,快速射电暴产生要求很特殊,并不是所有高能活动都能产生FRB。

2022年3月17日,李团队与云南大学杨元培教授、美国普林斯顿大学鲁文宾博士、美国内华达大学张冰教授等人合作的论文在《Science》上发表,构建了基于多路径散射的介质模型,可以进一步FRB发射源的约束辐射区的空间尺度、密度涨落、磁场构型等重要物理性质。

在这次研究中,研究团队测量了5个快速射电暴,加上对国际最新研究结果的总结,一共获得了21个快速射电暴样本,其中的重复快速射电暴都满足研究团队提出的理论解释。Frequency-dependent polarization of repeating fast radio bursts―implications for their origin

这项工作充分结合了FAST灵敏度高的优势和这一国际热点前沿的丰富观测资源,为构建完整的FRB起源模型提供了重要的观测基础。

李表示想要彻底搞清楚起源,以FAST的持续深度监测结合其他先进设备,有望在未来2~3年搞清楚关于FRB起源等一系列关键问题。

参考:

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1727626015236158882

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl7759

https://news.pku.edu.cn/jxky/4b63d7ddc32c493b861d4de24821c325.htm

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl7759