“中國天眼”的新發(fā)現(xiàn) 終結(jié)天文界持續(xù)多年的一場爭論

 

圖片來源：quantamagazine.org

 

快速射電暴，廣袤宇宙中一種射電波瞬間暴發(fā)的現(xiàn)象，其持續(xù)時(shí)間極短，通常只有幾毫秒。它們往往“神龍見首不見尾”，出現(xiàn)一次，便再無蹤跡。

 

過去十幾年，天文學(xué)家一直在收集相關(guān)信息，只為探求真相：到底是誰發(fā)出了這種電波？如此快速閃現(xiàn)的射電波究竟包含了什么信息？

 

10月29日和11月5日，利用500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST），科學(xué)家在國際科學(xué)期刊《自然》雜志上分別發(fā)表了2篇關(guān)于快速射電暴的研究成果，這口被喻為“中國天眼”的大鍋，“看到”了這種毫秒電波起源的一些蛛絲馬跡。

 

幾毫秒釋放地球上幾百億年的發(fā)電量

 

2007年，天文學(xué)家在分析澳大利亞64米射電望遠(yuǎn)鏡于2001年記錄的信號(hào)時(shí)，首次發(fā)現(xiàn)了這種毫秒電波。它表現(xiàn)為一個(gè)持續(xù)時(shí)間很短、非常明亮的射電脈沖輻射，科學(xué)家將這種毫秒閃現(xiàn)的電波形象地稱為快速射電暴。

 

可別小瞧這幾毫秒的閃現(xiàn)，雖然它存在的時(shí)間非常短，但能量特別高。在這幾毫秒的時(shí)間里，它可以把地球上幾百億年的發(fā)電量，完全以射電波的形式釋放掉。

 

“我們認(rèn)為，快速射電暴是由自然的天體物理過程產(chǎn)生的。根據(jù)探測的輻射特征和觀測特性，我們覺得它應(yīng)該來自磁星的磁層。”北京大學(xué)教授、中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員李柯伽說。

 

磁星是宇宙中一類致密天體，它的周圍有著特別強(qiáng)的磁場。

 

事實(shí)上，關(guān)于快速射電暴的來源，主流的理論假說可以分為兩派。一派認(rèn)為它來自磁星的磁層；另一派則認(rèn)為，某些致密天體爆發(fā)會(huì)產(chǎn)生激波，快速射電暴便來源于激波相互作用驅(qū)動(dòng)的輻射。

 

然而這些理論仍只是假設(shè)，快速射電暴的來源仍然是個(gè)謎團(tuán)。為何它如此難以探尋根源？“快速射電暴幾毫秒間就消失了，非常難以捕獲。因此，這個(gè)問題幾乎是天文學(xué)中最難的問題之一。”中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員韓金林說。

 

經(jīng)過大約10年的探測，天文學(xué)家收集了大約150多個(gè)快速射電暴的爆發(fā)源，通過測量信號(hào)穿過星系際和銀河系介質(zhì)的效應(yīng)，可以斷定這些爆發(fā)源中的絕大多數(shù)不在銀河系內(nèi)。

 

2017年，天文學(xué)家捕獲到一個(gè)毫秒射電暴發(fā)，它竟然在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)重復(fù)了幾次。天文學(xué)家利用全世界多臺(tái)大型射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合探測，并利用幾毫秒的記錄信號(hào)進(jìn)行快速定位，終于將這個(gè)重復(fù)暴發(fā)的快速射電暴的爆發(fā)源定位到距離地球30億光年的一個(gè)星系內(nèi)。

 

為兩大派系理論爭鋒一錘定音

 

過去，因?yàn)槲覈鴽]有大型射電望遠(yuǎn)鏡，中國天文學(xué)家無法拿到第一手資料，所以在這個(gè)前沿領(lǐng)域的研究中，他們多是側(cè)重于理論研究。

 

FAST在探測快速射電暴方面具有無可比擬的優(yōu)勢。“‘中國天眼’的接收面積非常大，超高的靈敏度使其能夠看到其他望遠(yuǎn)鏡看不到的、比較弱的脈沖輻射。”李柯伽說。

 

2019年，天文學(xué)家利用FAST觀測了一個(gè)爆發(fā)源FRB 180301。2018年3月1日，澳大利亞首次探測到了這個(gè)爆發(fā)源，研究人員希望能夠確定這個(gè)爆發(fā)源是否會(huì)重復(fù)暴發(fā)。幸運(yùn)的是，2019年7月16日，在2小時(shí)觀測中，研究團(tuán)隊(duì)如愿探測到了4次暴發(fā)。

 

但隨后在9月11日4個(gè)小時(shí)的觀測中，研究團(tuán)隊(duì)竟然什么信號(hào)也沒有探測到。經(jīng)過研究，他們發(fā)現(xiàn)澳大利亞報(bào)告的爆發(fā)源位置有誤差，隨后調(diào)整了觀測策略，將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)位置調(diào)正，并記錄偏振信號(hào)。在2019年10月6日和7日，F(xiàn)AST在6個(gè)小時(shí)內(nèi)探測到11次暴發(fā)。

 

統(tǒng)計(jì)下來，在共計(jì)12個(gè)小時(shí)的觀測時(shí)間里，F(xiàn)AST探測到了15次暴發(fā)，每次電波閃現(xiàn)的強(qiáng)度曲線也各不相同。“這個(gè)爆發(fā)源與30億光年外的那個(gè)爆發(fā)源距離類似、射電暴發(fā)率類似，但強(qiáng)度上要弱很多。”韓金林說。

 

更重要的是，觀測發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RB 180301的偏振行為具有復(fù)雜的多樣性。

 

“現(xiàn)在，我們觀測了一個(gè)新的快速射電重復(fù)暴，通過對(duì)11次暴發(fā)電波的高靈敏度偏振信號(hào)解析，我們發(fā)現(xiàn)其每個(gè)脈沖的偏振特性都不一樣。FAST觀測到的偏振變化多樣性明確說明：宇宙中快速射電暴的爆發(fā)源可能來自致密天體磁層中的物理過程。”韓金林說，這個(gè)觀測結(jié)果直接否定了一批國際學(xué)者關(guān)于快速射電暴來自粒子沖撞的理論，為近幾年兩大派系的理論爭鋒一錘定音。

 

“類似于地球，磁星也會(huì)形成磁層。我們這次的觀測是快速射電暴來源于磁層的一個(gè)最直接證據(jù)。”李柯伽說。

 

追蹤到磁星與快速射電暴之間的聯(lián)系

 

2020年4月，北京師范大學(xué)的林琳博士提出了利用FAST觀測銀河系磁星SGR J1935+2154軟伽馬射線重復(fù)暴源（SGR）的申請(qǐng)。經(jīng)批準(zhǔn)后，研究人員使用FAST的L波段19波束接收機(jī)，對(duì)SGR J1935+2154進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測。在SGR J1935+2154的X射線和軟伽馬射線暴發(fā)活躍期、特別是29個(gè)軟伽馬射線暴對(duì)應(yīng)的精確時(shí)間節(jié)點(diǎn)上未探測到任何射電脈沖輻射。

 

借助FAST超高的靈敏度，結(jié)合此前加拿大氫強(qiáng)度測繪實(shí)驗(yàn)（CHIME）望遠(yuǎn)鏡和暫現(xiàn)射電天文輻射巡天2（STARE-2）的探測，F(xiàn)AST實(shí)現(xiàn)了對(duì)8個(gè)數(shù)量級(jí)亮度空間的覆蓋，給出了這一銀河系內(nèi)快速射電暴源迄今最嚴(yán)格的射電流量限制。

 

磁星是高度磁化的特殊致密天體，4月28日，加拿大氫強(qiáng)度測繪實(shí)驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡首次在銀河系內(nèi)磁星SGR J1935+2154上探測到了明亮的毫秒級(jí)射電暴FRB 200428，追蹤到磁星與快速射電暴之間的聯(lián)系。

 

本次FAST觀測結(jié)合了國際多波段設(shè)備，比如費(fèi)米衛(wèi)星伽馬暴監(jiān)測器（Fermi-GBM）、光學(xué)BOOTES望遠(yuǎn)鏡及慧眼衛(wèi)星硬X線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（Insight-HXMT）等。FAST的測量結(jié)果對(duì)研究快速射電暴的起源和物理機(jī)制，具有十分重要的意義。觀測結(jié)果表明，快速射電暴與軟伽馬射線重復(fù)暴發(fā)具有較弱的相關(guān)性。

 

“這有幾種可能的原因：一種是快速射電暴可能存在高度相對(duì)論性和特殊幾何位形的集束效應(yīng)；另一種是快速射電暴光譜可能很窄且大部分遠(yuǎn)離FAST觀測波段；此外也可能是與軟伽馬射線暴成協(xié)的快速射電暴比較特殊。”中國科學(xué)院國家天文臺(tái)王培博士說，未來需要對(duì)銀河系內(nèi)更多快速射電暴進(jìn)一步觀測，去判定哪種解釋更接近正確答案。

 

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　　磁星：宇宙中的磁場“怪物”

 

磁星是一種具有超強(qiáng)磁場的中子星，其表面磁場比目前人類實(shí)驗(yàn)室能制造出來的最強(qiáng)磁場還強(qiáng)上億倍?？茖W(xué)家認(rèn)為，當(dāng)兩個(gè)相互繞轉(zhuǎn)的中子星并合后，會(huì)形成一個(gè)新的質(zhì)量更大的致密天體，如果這個(gè)新天體的質(zhì)量超過中子星的質(zhì)量上限，那么天體內(nèi)部物質(zhì)的壓力將難以抗衡天體自身的引力，使得天體直接坍縮成為一個(gè)黑洞。但天文學(xué)家認(rèn)為，在塌縮之前它很有可能會(huì)先形成一個(gè)更加有趣的天體——磁星。

 

1992年，天文學(xué)家羅伯特·鄧肯和克里斯托佛·湯普森最先預(yù)言了這種神奇的天體，磁星理論也逐漸被人們所接受。但磁星較為罕見，目前天文學(xué)家并不確定為何它的磁場如此強(qiáng)大。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，如果一顆中子星的旋轉(zhuǎn)使其溫度和磁場能夠完美地結(jié)合在一起，那么它會(huì)像發(fā)電機(jī)一樣將其磁場放大一千倍。