重大發現:確認超高能快速射電暴起源關鍵證據

2007年時,西維吉尼亞大學的天體物理學家鄧肯·洛裡默(Duncan Lorimer)給他的學生大衛·納克維克(David Narkevic)分配了一個任務,遍歷澳大利亞帕克斯射電望遠鏡在2001年接收到的資料。

結果在2001年7月24日發現了一個極其神秘的信號,持續時間不到5毫秒,方位是小麥哲倫星系方向偏離約3°的虛空,這個發現揭開了二十一世紀最神秘的發現之一:快速射電暴,這個信號也被稱為「Lorimer Burst」,編號為:FRB 010724,快速射電暴(Fast radio burst,簡稱:FRB)發現的第一個信號。

洛裡默暴–人類觀測到的第一個快速射電暴

快速射電暴:科學家也不知道它是怎麼產生的

有了信號特徵,科學家在搜尋過去的射電望遠鏡記錄時發現了很多FRB信號,比如2015年時又從綠岸射電望遠鏡的資料中發現了FRB 110523,由于它持續時間極短,而且射電望遠鏡記錄的信號浩如煙海,因此每次科學家去查閱過去的資料總是有一些新發現。

綠岸射電望遠鏡

科學家對這些信號十分好奇,因為它的出現時間極為短暫,而且能量極大,科學家一直都搞不清楚宇宙中究竟有什麼天體能以這樣的機制釋放能量,但僅憑這些射電信號科學家無法分析,而且都是歷史記錄,沒有X射線以及光學和紅外和伽馬射線觀測設備對著這片天空。

帕克斯天文臺的射電望遠鏡

機會很快就來了,2015 年1月19日,澳大利亞國家科學局 ( CSIRO ) 的天文學家報告稱帕克斯天文臺的射電望遠鏡首次現場觀測到快速射電暴,同時天文臺調動各個波段的觀測設備對準了這個方向,結果是令人震驚的:光學、紅外、紫外線或X射線等所有波段觀測都是一片空白!

加州帕薩迪納卡內基研究所的團隊成員曼西·卡斯利瓦爾博士稱,這個結果排除了一些可能的候選者,比如長伽馬射線爆發和附近的超新星等,那麼科學家將面臨一個非常尷尬的局面,就現階段而言,只能記錄卻無法深入研究。

發現重復射電暴信號

2017年8月26日,天文學家使用綠岸望遠鏡的資料檢測到的FRB 121102在5至8GHz的上出現了重復,並且還發現了另外15個重復的FRB信號,而且FRB 180916還是一個16.35天重復一次的信號。並且有多個FRB還處在「高度活動狀態,鼓勵進行後續觀察」。

河外還是河內:科學家一頭霧水

2015年時從綠岸望遠鏡收集的歷史資料中發現了 FRB 110523,對這個第一個檢測到線性極化的 FRB (允許測量法拉第旋轉)。對信號色散延遲的測量表明,這次爆發來自河外,可能距離我們60億光年遠,河外起源,而且遠達60億光年都能讓科學家探測到,這個信號的功率究竟有多大?讓科學家頗為頭痛。

但在2020年4月加拿大的CHIME射電望遠鏡觀測到了一個源自銀河系內的信號,再次讓科學家有點懵逼,這表示這種極端的天體可能就隱藏在銀河系內某個位置,如此可怕的天體居然在後院,而科學家卻什麼都不知道。

加拿大的CHIME射電望遠鏡

「中國天眼FAST」重大發現:超高能快速射電暴起源關鍵證據

究竟是什麼成因?科學家也想知道,對于公眾而言那些重復的信號尤其感興趣,比如2021年6月,加拿大的CHIME射電望遠鏡觀測到500多個FRB就讓公眾們頗為興奮,似乎宇宙中到處都有外星人在向地球招手。

顯然科學家是不會接受這個解釋的,有科學家提出了一些假說,比如合併中的黑洞和中子星,也有科學家認為與伽瑪暴有關,還有人則認為與中子星的爆發有關,比如銀河系第一個快速射電暴的被識別起源于磁星SGR 1935+2154,表明磁星可能是快速射電暴的一個來源。

SGR 1935+2154

如何來證明呢?

有科學家提出,基于快速射電暴可能的產生機制,每天可能高達數百次!而快速射電暴由于能量有高有低,即使高的也相當于月球上手機發出的信號的千分之一,那麼發現更多的射電暴信號與更強的探測機制就成了必要手段。

FAST出手:便知有沒有!

2016年9月,中國500米口徑的球面射電望遠鏡落成,試運行期間的2017年8月就發現了兩顆新的脈衝星,到2018年9月,FAST已經發現44顆新脈衝星。

FAST是從2019年8月29日開始入局關注FRB的、FAST首席科學家李菂表示,由于FAST超大口徑與前所未有的靈敏度,它能捕捉到其他望遠鏡無法觀測的低能量脈衝,因此決定對FRB 121102(第一個重復FRB),結果觀測結果遠超預期,從2019年8月29日到10月29日,FAST用59.5小時的觀測時間共觀測到了1652次FRB。

這表示FRB對于某種天體來說是極為頻繁的事件,而且它可能在天空中的任何位置發生,當時中國科學技術大學的理論物理學家戴子高表示,FRB 121102很可能是一顆磁陀星,FRB不過是其產生的「星震」,當外層在星體磁場突然變化的壓力下發生改變時就會產生這種機制。

不過FAST需要更多的樣本來驗證這個機制,李菂也表示,FAST將會繼續監測FRB 121102,同時調查其他重復源。他還透露,他的團隊正在研究一個尚未公開的源,它的行為比FRB 121102「更激進」。

從2020年開始,我國FAST科研團隊連續在《自然》上發表快速射電暴的研究成果:

2020年10月28日:《快速射電暴的偏振曲線多樣性》

2020年11月4日:《銀河系磁星爆發態中沒有射電脈衝》

其中在《快速射電暴的偏振曲線多樣性》中,研究團隊證認了之前由澳大利亞Parkes望遠鏡發現的快速射電暴FRB180301是一個重復暴,首次發現了快速射電暴的偏振多樣性,特別是發現偏振角在短短的毫秒時間內發生了系統的改變。此前對于快速射電暴的成因已經比較傾向于磁星,但一直有兩種觀點:

1、輻射來源于磁星的磁層, 即產生于磁場很強的緻密星周圍的強磁場電離環境;

2、輻射來源于激波相互作用驅動的輻射;

兩種觀點無法確認,但FRB180301中偏振位置角迅速變化這一發現似乎確定了快速射電暴來源于緻密天體的磁層中。而在《銀河系磁星爆發態中沒有射電脈衝》中對磁星SGRJ1935+2154的研究發現,快速射電暴產生要求很特殊,並不是所有高能活動都能產生FRB。

2022年3月17日,李菂團隊與雲南大學楊元培教授、美國普林斯頓大學魯文賓博士、美國內華達大學張冰教授等人合作的論文在《Science》上發表,構建了基于多路徑散射的介質模型,可以進一步FRB發射源的約束輻射區的空間尺度、密度漲落、磁場構型等重要物理性質。

在這次研究中,研究團隊測量了5個快速射電暴,加上對國際最新研究結果的總結,一共獲得了21個快速射電暴樣本,其中的重復快速射電暴都滿足研究團隊提出的理論解釋。Frequency-dependent polarization of repeating fast radio bursts—implications for their origin

這項工作充分結合了FAST靈敏度高的優勢和這一國際熱點前沿的豐富觀測資源,為構建完整的FRB起源模型提供了重要的觀測基礎。

李菂表示想要徹底搞清楚起源,以FAST的持續深度監測結合其他先進設備,有望在未來2~3年搞清楚關于FRB起源等一系列關鍵問題。


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