快速射電暴（Fast Radio Burst, FRB），是發(fā)生在宇宙中頗為神秘的射電爆發(fā)活動，其物理起源至今未知。自2007年科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)快速射電暴之后，這種天體物理現(xiàn)象成為近年來天文學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。天文學(xué)家們試圖從這些來自宇宙深處的噼啪作響中，得到關(guān)于宇宙星系際介質(zhì)的重要啟發(fā)。

北京時間6月8日23時，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》(www.nature.com)刊發(fā)了中國國家天文臺李菂研究員團隊關(guān)于快速射電暴的又一重要觀測研究成果。團隊報告了一個新探測到的活躍快速射電暴FRB?20190520B，并發(fā)現(xiàn)其與一個致密的射電持續(xù)源相關(guān)，最終將其定位到了一個距離我們30億光年的矮星系。

6月9日，論文的第一撰稿人、國家天文臺博士后牛晨輝在接受澎湃新聞（www.thepaper.cn）記者采訪時表示,?FRB 20190520B與人類首個發(fā)現(xiàn)的重復(fù)快速射電暴FRB 20121102A有著一些相似特征，但其宿主星系環(huán)境顯示更為復(fù)雜。而且不同于其他快速射電暴只在窗口期內(nèi)暴發(fā)，F(xiàn)RB 20190520B持續(xù)活躍。這一發(fā)現(xiàn)或?qū)斫饪焖偕潆姳┢鹪春头诸悗碇匾獑⑹尽?/p>

2007年，美國天文學(xué)家鄧肯.洛里默（Lorimer）在分析澳大利亞帕克斯（Parkes）望遠(yuǎn)鏡2001年的觀測數(shù)據(jù)時，首次發(fā)現(xiàn)了快速射電暴這一神秘的天文現(xiàn)象?？焖偕潆姳╇姶泡椛涿}沖的持續(xù)時間只有幾毫秒，卻能夠釋放出相當(dāng)于太陽在一整年內(nèi)釋放的能量。近年來，快速射電暴被天文學(xué)家用來研究星系際介質(zhì)（星系與星系之間）中的物質(zhì),?例如重子的含量等。

“這次發(fā)現(xiàn)的首大亮點，是重復(fù)快速射電暴FRB?20190520B有著持續(xù)的活躍度?！迸３枯x向澎湃新聞介紹說。

2019年，李菂團隊利用位于中國貴州省境內(nèi)的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)——“中國天眼”,首次探測到了重復(fù)快速射電暴FRB20190520B，頻率為1.05-1.45 GHz。研究者在最初的觀測中發(fā)現(xiàn)了4次爆發(fā)，在2020年4月至2020年9月之間的每月跟蹤觀測中，累計18.5小時內(nèi)觀測到75次爆發(fā)，這表明該射電暴持續(xù)保持著較高的活躍度。

牛晨輝稱，目前全球觀測到的快速射電暴有近500余例，其中重復(fù)快速射電暴只有24例，但其中活躍的重復(fù)暴不到10例。“即便是能夠重復(fù)觀測到的快速射電暴，大部分都有一個活躍的窗口期。例如此前首例發(fā)現(xiàn)的重復(fù)快速射電暴FRB 20121102A，我們可以在1小時內(nèi)觀測到100多次爆發(fā)，但隨后就會衰減甚至觀察不到，而在對FRB?20190520B的觀測中，我們嘗試了不同的時間窗口，而每次都能觀測到其爆發(fā)?！?/p>

“這樣持續(xù)活躍的重復(fù)快速射電暴目前只有這一個?！迸３枯x說。

此次觀測研究的另一重要發(fā)現(xiàn)，是新觀測到的重復(fù)快速射電暴FRB 20190520B與一個致密的射電持續(xù)源相關(guān)聯(lián)，這是第二個被發(fā)現(xiàn)伴隨著致密射電持續(xù)源的快速射電暴。

作為CRAFTS項目的一部分，李菂團隊與卡爾G.揚斯基甚大陣列(VLA)合作,?通過使用“realfast”快速瞬態(tài)探測系統(tǒng)對重復(fù)快速射電暴FRB 20190520B定位,?并確定了其宿主星星系（J160204.31?111718.5）,?這是一個紅移為z?=?0.241±0.001的矮星系，相當(dāng)于光度距離為1218?Mpc，消光修正后的Hα亮度LHα?= 7.4±0.2 × 1040 erg s?1，星系的成星速率約為0.41 M⊙yr?1。

據(jù)介紹，在FRB 20190520B之前，已有超過12個快速射電暴被定位，包括5個重復(fù)快速射電暴，但只有首個被發(fā)現(xiàn)的重復(fù)快速射射電暴FRB?20121102A與致密的射電持續(xù)源相關(guān)聯(lián)，F(xiàn)RB?20121102A同樣存在于一個類似的矮星系中。

牛晨輝告訴澎湃新聞，“FRB 20121102A是已知的第一個伴隨著致密的射電持續(xù)源(PRS)的重復(fù)快速射電暴。另一個重復(fù)快速射電暴FRB 20201124A也與射電持續(xù)源相關(guān)。然而，分辨率更高的觀測表明，其射電持續(xù)源的亮度與宿主星系中恒星形成區(qū)相一致，也即是說這個射電持續(xù)源是由恒星形成區(qū)產(chǎn)生?！毕啾戎??與FRB 20190520B對應(yīng)的射電持續(xù)源不是來自恒星形成區(qū)，因為它的光度意味著恒星形成速率約為10 M⊙yr-1，這相當(dāng)于宿主星系實際測量到的恒星形成速率的25倍，也是同質(zhì)量星系最高觀測到的恒星形成速率的5倍。因此，研究者認(rèn)為其更有可能與一個致密的持續(xù)射電源相關(guān)聯(lián)。

而此次觀測研究最特別之處，是此前的研究認(rèn)為，宿主星系對快速射電暴色散量(Dispersion Measurement, DM)的影響程度通常很小，但李菂研究員團隊經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RB20190520B宿主星系的色散量約為903?pc cm-3?，這比此前已知的FRB宿主星系的色散量平均值高出近一個數(shù)量級。

色散量是天體物理學(xué)中一個重要的測量值。據(jù)了解，隨著電磁輻射在充滿星際介質(zhì)和星系際介質(zhì)的空間里傳播，色散現(xiàn)象會使得射電輻射的不同頻率成分到達(dá)地球的時間不一樣。而測量到達(dá)時間隨頻率變化，就可以得到“色散量”。該測量量可以看成是從快速射電暴發(fā)出到地球一路上介質(zhì)中電子密度對徑向距離的積分，包含了這個方向上很大一段宇宙尺度內(nèi)的等離子體分布信息。

如果能得到一個快速射電暴的總DM值，則可以將該DM值分解成幾個部分：銀河系星際介質(zhì)的DM，F(xiàn)RB宿主星系中的DM，以及星系之間中的DM。DM(宿主星系) = DM(快速射電暴)? DM(銀河系) —DM (星系間介質(zhì))。

牛晨輝對澎湃新聞?wù)f,“簡而言之，宿主星系的色散量，可以對應(yīng)宿主星系環(huán)境中等離子體的濃度，從而反映該環(huán)境的性質(zhì)和特征?！?/p>

研究者們通過計算得知，F(xiàn)RB 20190520B宿主星系的DM?約為?903?pc cm-3，而已知的首個重復(fù)快速射電暴FRB 20121102A的DM(宿主星系)的大小約為300 pc cm-3?，F(xiàn)RB 20190520B顯示的DM(宿主星系)幾乎是FRB 20121102A的3倍。對此，研究者們猜測，如果DM(宿主星系)相當(dāng)大的一部分是來自于射電暴周圍介質(zhì)，那么射電暴的形成可能與致密的射電持續(xù)源和變化的磁場有關(guān)，而FRB 20121102A和FRB 20190520B這類重復(fù)快速射電暴更像是處于演化早期的射電暴。

研究者總結(jié)到，“無論是重復(fù)的、還是非重復(fù)快速射電暴，都可能包含著不同的子類，這些子類要么處于不同的演化階段，要么產(chǎn)生于不同的物理機制?！?/p>

中國天文學(xué)家們對于快速射電暴的探索和研究還在繼續(xù)。牛晨輝對澎湃新聞表示，CRAFTS項目是李菂研究員負(fù)責(zé)的FAST優(yōu)先重大項目,快速射電暴的搜尋工作是該項目的一個重要方向。國家天文臺朱煒瑋研究員負(fù)責(zé)的FAST另一優(yōu)先重大項目“快速射電暴”項目為FRB 20190520B的后隨觀測提供了重要支撐。

“我們對FRB 20190520B開展了每周的常規(guī)監(jiān)測,截止目前已經(jīng)獲取了數(shù)百次爆發(fā)樣本,結(jié)合這些樣本我們將對其色散演化、能量分布、快速射電暴脈沖特征開展后續(xù)研究?！迸３枯x說。

論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-022-04755-5

關(guān)鍵詞： 天文學(xué)家