The Innovation | 快速射电暴现象或暗示奇异夸克星的存在
导 读
快速射电暴是天文学家新发现的一种来自太空、持续仅毫秒量级的强烈射电爆发现象。它们是如何产生的，科学家一直在不断地探索和争论。本研究表明，当奇异夸克星从其伴星吸积物质，导致其壳层反复发生局部坍塌时，可周期性地重复产生快速射电暴现象。此项研究不仅可以解释快速射电暴的起源，还有助于回答脉冲星是否为奇异夸克星这一基本问题。
图1 被吸积的伴星物质最终沿着奇异夸克星磁层的磁力线落到两极
快速射电暴（FRB）于2007年首次被美国科学家Lorimer等人发现后，便很快成为天体物理领域的研究热点。典型FRB持续仅若干毫秒，但辐射功率可比银河系内脉冲星还要高出15个数量级以上。这些观测到的奇特现象，使得天文学家推测它们可能产生于磁陀星，也就是磁场极强的中子星。2020年4月28日，加拿大氢强度测绘实验射电望远镜（CHIME）探测到来自于银河系内一颗名为SGR 1935+2154的磁陀星的毫秒射电爆发，强烈支持快速射电暴来源于磁陀星的观点，该发现入选当年Nature、Science杂志评选的年度十大科学进展。
大多数的FRB似乎都是一次性的，但有趣的是也有数十个FRB源可重复爆发。FRB 180916就是一个典型的重复FRB。该源最初的射电暴于2018年9月16日被观测到，故得名FRB 180916。它的重复爆发很有规律，以16天为活动周期，其中大约5天是爆发活跃期，11天为宁静期。周期性重复FRB给理论家带来了新的挑战。有学者认为周期性是由中子星双星的轨道运动导致，但这要求轨道偏心率大于0.95，条件过于苛刻。也有学者认为周期性是源自于磁陀星的进动，但在进动周期的具体数值及稳定性等方面还有较大的不确定性。
另一方面，人们目前对于中子星的了解也非常局限。通常认为中子星的内部成分主要是中子。但考虑到中子星的核心密度可达到原子核密度的数倍以上。因此也有学者认为，在这种极高密度下，由上夸克、下夸克和奇异夸克直接构成的夸克物质可能具有更低的能量，这被称为奇异夸克物质假说。如果这一假说正确的话，那么通常人们认为的“中子星”实际上就是奇异夸克星（简称奇异星）。
奇异星的夸克物质表面存在着极强的指向外部的电场，能够支撑一个由普通物质构成壳层，其厚度可达数百米。已有研究表明，当壳层质量由于某种原因超过某一临界值时，就会突然发生坍塌，触发磁层中电子的相干辐射，从而产生一次FRB。
本研究进一步提出了奇异星通过双星作用产生重复FRB的新模型：在密近双星系统中，由于距离近，在奇异星的强大引力作用下，伴星的物质流出并在奇异星周围形成一个吸积盘。吸积盘内边缘处的物质受到奇异星强磁场的约束作用，会沿着磁力线落到南北两极区域（也称为极冠区，见图1）。受磁场影响，极冠区的吸积物质向周围扩散的速度很慢，因此不断堆积，最终超出一定限度，导致壳层突然局部坍塌产生FRB。而持续的吸积又可以补充壳层物质，使得壳层坍塌过程反复进行，从而产生重复FRB。
图2 FRB周期性活动原理示意图。活跃期（左上图），吸积率较高，盘上物质沿磁力线落到两极区域，导致壳层局部坍塌产生FRB。宁静期（右上图），吸积率较低，物质基本无法抵达奇异星表面，不能产生FRB。
在此新模型中，FRB的周期性活动并非对应于双星轨道运动，而是来自于吸积盘的状态转变。当盘的吸积率增大时，盘的温度也随着上升，促使吸积率进一步陡升，从而快速消耗盘上物质，为活跃期，可产生FRB。而当盘上物质被消耗到一定程度，温度会陡然下降，进入低吸积率状态，也就是宁静期。吸积盘在宁静期不断累积物质，为下一个活跃期作准备，周而复始，产生周期性重复FRB（图2）。本研究通过详细计算表明，将吸积盘粘滞参数取为0.004，吸积率取为3 × 1016 g/s，就可以合理解释FRB 180916的活跃期和宁静期长度（图3）。
图3 利用重复FRB的周期性限制吸积盘的粘滞参数以及吸积率。当取粘滞参数为0.004、吸积率为3 × 1016 g/s 时，能对FRB 180916（标注黄色星号处）给出最佳拟合。
总结和展望
虽然奇异夸克物质假说在上世纪70年代就已经被提出，但如何检验其正确性，一直是天体物理领域的重大疑难问题。本工作指出，密近双星中的奇异星通过从伴星吸积物质，可以非常自然地产生周期性重复的FRB。通过观测密近脉冲星双星是否会产生FRB，能对这一模型进行检验。基于这一想法，研究人员可尝试利用我国的FAST天眼望远镜对一些低质量X射线双星开展监测工作，以期进一步揭开FRB的神秘面纱，并检验奇异夸克物质假说。
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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00077-1
本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第二卷第四期以Report发表的“Repeating fast radio bursts from collapses of the crust of a strange star” (投稿: 2021-03-16；接收: 2021-08-09；在线刊出: 2021-08-11)。
DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100152
引用格式：Geng J., Li B., Huang Y. (2021). Repeating fast radio bursts from collapses of the crust of a strange star. The Innovation. 2(4),100152.
作者简介
耿金军，中国科学院紫金山天文台副研究员，主要研究伽玛射线暴、快速射电暴以及相对论性喷流等高能天体爆发现象。
李兵，中国科学院高能物理研究所助理研究员，主要研究伽玛射线暴、快速射电暴等高能天体爆发现象。
黄永锋，南京大学天文学系教授，主要从事伽玛射线暴、快速射电暴、脉冲星等相关高能天体物理研究。
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