神秘重復的宇宙閃光,竟來自一個古老球狀星團,科學家:應不存在

當它們第一次被發現時,快速射電暴 (FRB) 是一個謎。起初,每個快速射電暴都遵循相同的模式:持續不到一秒的無線電波長中的巨大能量激增——然後爆發消失了,不再重復。我們最初懷疑 FRB 可能是我們探測器中的硬體故障,但隨著時間的推移,爆發的復發讓我們相信它們是真實的。

在過去的 15 年裡,在天空中發現了數百個快速射電暴,其中絕大多數只發現了一次。但觀察到一小部分爆發重復,使天文學家能夠追蹤超過 20 個快速射電暴的起源。這些爆發的原因仍然未知,理論范圍從旋轉的中子星和磁星到外星人。

而同時發表在《自然》和《自然天文學》雜誌上的兩篇論文中,一個國際天文學家團隊發現了一個令人驚訝的神秘快速無線電信號來源,一個緊密的球形星團——位于 M81 中,這是一個 1200 萬光的巨大螺旋星系。

神秘FRB追蹤到令人驚訝的位置!

新發現的重復的 FRB 源,稱為 FRB 20200120E,由瑞典查爾姆斯理工大學的天文學家弗朗茨·克爾斯滕(Franz Kirsten) 領導的國際天文學家團隊發現。為了確定 FRB 20200120E 的位置,團隊求助于歐洲甚長基線干涉測量網路的分辨能力,該網路可以使用分佈在世界各地的多達 22 台望遠鏡。同時團隊設法讓足夠多的望遠鏡指向重復源,以對五個單獨的 FRB 進行成像,最後確定它來自附近星系 M81 中的一個球狀星團。

這一新發現令人驚訝,因為球狀星團只包含古老的恒星——其中一些是宇宙中最古老的恒星。然而在 2020 年,在我們自己的銀河系中發現了 FRB,這幫助科學家確定一個來源一定是磁星。

磁星是中子星的一種形式,它是一顆質量足以產生超新星但質量不足以形成黑洞的恒星坍縮後留下的。當這些殘餘物被壓縮成中子湯時,中子星的物質會縮小,直到它只有大約 20 公里寬。這個緻密的天體繼承了其母星的所有自轉能量,使其快速自轉,而這通常是由于從其環境中落下的物質而進一步加速。

在許多情況下,這種快速旋轉會產生脈衝星、中子星,它們的輻射源似乎會隨著恒星的旋轉而迅速閃爍。在另一些情況下,中子星最終會產生強烈的磁場,使其成為磁星。磁星的強烈磁場線被它的旋轉所左右,通常會與它的環境產生高能相互作用。

但這些高能現象往往不會持續很長時間,至少在天文學方面是這樣。所有這些與環境的能量相互作用導致中子星釋放能量,減緩其旋轉並降低其產生的任何光的強度。例如,磁星通常被認為只有 10000 年左右的壽命,然後才會逐漸消失。

此外,形成磁星的超新星發生在相對年輕的恒星中,通常只有幾百萬年的歷史。

綜合起來看,早期的恒星死亡和短暫的磁星壽命,意味著我們只希望在擁有大量年輕恒星的地區看到磁星。較老的恒星種群應該在數十億年前就已經看到了磁星的形成和消失。球狀星團的恒星平均年齡為數十億年,它們太老了,不可能有足夠近的年輕恒星死亡來創造這種類型的磁星。

或存在另一種方式製造FRB!

理論上,球狀星團的古老恒星不太可能有任何形成中子星的超新星,一般可以排除磁星的存在。但也存在一種特殊的情況,可以在沒有超新星的情況下或在超新星發生很久之後產生磁星,而這些特殊條件主要依賴于附近的伴星。

在球狀星團中,許多恒星以雙星系統的形式存在,其中一些靠近一顆恒星從另一顆恒星收集物質。這通常發生在一顆恒星不再處于其主序帶並膨脹成為紅巨星時。伴星將開始從紅矮星的外層吸走物質,最終導致一種被稱為「吸積誘導坍縮」的情況。如果其中一顆白矮星能從它的伴星身上捕捉到足夠多的額外質量,它就會變成一顆密度更大的中子星。

另一種可能的解釋是兩顆緻密的老恒星——例如一對白矮星、一對中子星的合併——彼此附近的近距離軌道上運行。然而,在我們的銀河系中發生這種事件的可能性相當小。

在放大測量結果以尋找更多線索後,天文學家發現了令他們感到驚訝的另一件事。他們觀察到的一些閃光持續時間比預期的要短,持續納秒(十億分之一秒)而不是毫秒(千分之一)。而閃光能在短短幾十納秒內就閃爍了亮度,這意味著它們一定來自空間中的一個微小體積,比足球場還小,而且可能只有幾十米寬。當然,FRB源也有可能根本不是磁星,而是一個非常高能的毫秒脈衝星,它也是一種可以在球狀星團中找到的中子星,但磁場較弱。

不過未來對 M81 球狀星團的觀測將不得不揭示源頭是否真的是一顆不尋常的磁星,或者其他什麼東西,比如不尋常的脈衝星或緊密圍繞大質量恒星運行的黑洞。但要點是,將 FRB 追溯到這樣一個意想不到的來源表明,關于這一現象還有更多的知識需要了解,它可能會顛覆我們對宇宙其他方面的理解。


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