中国天眼重要成果发布，两篇Nature都与它有关

Original 蕉叶科学大院 2022-05-18

近日，4篇论文同时在著名学术期刊《自然》上发表，发现并论证了一个河内快速射电暴FRB 200428起源于磁星SGR 1935+2154，为“快速射电暴源于磁星”这一理论猜测增添了有力的证据。其中一篇论文正是基于我国FAST望远镜的观测成果。而就在10月底，FAST的观测成果第一次登上《自然》期刊，也是关于快速射电暴。

来自磁星磁层的快速射电暴（艺术图）

（图片来源：中国科学院国家天文台）

快速射电暴：发现与质疑

2007年，天文学家洛里默（Lorimer）在一份旧的观测数据（澳大利亚帕克斯64米射电望远镜2001年7月的一次观测）中发现了一个明亮、色散量大、持续时间仅为大约5毫秒的射电波段暴发。更让人惊讶的是，如果根据观测到的色散量对距离进行估计，发出这个“洛里默暴”的天体距离地球应该有36亿光年！

虽然“洛里默暴”相关研究结果当时发表著名学术期刊《科学》上，但不少天文学家并不认为这一观测现象真的来自遥远的宇宙空间。

大家的怀疑不无道理：

1. 这个暴发只出现过一次，后续观测没有再发现，也就是说无法被重复观测验证；

2. 这个信号太亮了。亮到让天文学家觉得很不真实，难以用已知的天文现象去解释；

3. 帕克斯64米望远镜曾观测到被称为“perytons”（佩利冬，传说中一种半鹿半鸟的怪兽，而它的影子却为人形）的信号。该信号与“洛里默暴”有一定的相似性，也有明显的色散量，但可以确定是地球上的干扰信号。后来“perytons”被证实是帕克斯天文台里的微波炉产生的信号。

因此，“洛里默暴”的发现并没有引起天文学家过多的注意，直到6年之后，在2013年，人们观测到了另外4个同类射电暴发，相关领域的天文学家开始躁动起来。

此类射电暴发被正式称为快速射电暴（Fast Radio Burst，FRB）。

起源之谜

有关快速射电暴，人们知之甚少。就连它到底起源于何处？天文学家都有多种观点。

前面讲到，快速射电暴有一个特点是色散量大。色散，是电磁波传播过程中受到自由电子影响而产生一种观测效应。电磁波穿过的电子越多，色散效应就越明显，色散量也越大。

天文学家目前已经大概知道银河系中电子的分布状态，也就是说能估计出银河系中任意位置发出的电磁波到达地球所会产生的色散量大小。而对于快速射电暴而言，即使假设发出该信号的天体来自银河系边缘，估算出来的色散量也远小于观测到的色散量。

部分天文学家就认为，“多出来的”色散量，应该是在银河系外的电子影响下产生的。基于种种物理假设，天文学家可以根据色散量大小，将快速射电暴定位在远离银河系的宇宙空间中。然而，天文学家一时找不到一类可以在如此遥远的地方发出如此短暂且明亮信号的天体。部分天文学家认为快速射电暴应该源于遥远星系中的致密天体，例如：中子星的某种特殊辐射机制、中子星-白矮星合并、双中子星合并、黑洞蒸发等等。

也有部分天文学家直接否定快速射电暴起源于银河系外的说法，认为它们应该来自银河系之内，其大色散量则源于对应天体周围未知的电子气体。

由于早期发现的快速射电暴都只出现过一次，观测得到的信息很有限，所以对它们究竟来自于银河系外还是银河系内存在争议。直到2016年，人们首次发现一颗重复出现的快速射电暴 FRB 121102，事情才出现转机。

重复暴发，意味着天文学家可以动用多种手段对该快速射电暴进行多次测量。2017年，天文学家对FRB 121102进行了高精度的定位，并在该位置观测到它所在的遥远的星系，由此确认了快速射电暴起源于银河系外的观点。

但是，对于快速射电暴究竟由哪种天体产生，还是存在着争论。

随着观测和研究的推进，在快速射电暴起源的众多可能性当中，部分天文学家更倾向于以下两种可能性之一：

1. 中子星磁层的相干辐射；

2. 中子星产生的相对论激波与星际介质作用诱发相干辐射。

而FAST近期的成果，给第一种起源理论增加了重重的砝码。

FAST的裁定（一）

2019年，FAST开始接受国内天文学家的观测申请。北京大学与中国科学院国家天文台联合培养博士研究生罗睿借此难得的机会，利用FAST望远镜对一颗快速射电暴FRB 180301进行观测，希望探测到它的重复暴发。

很幸运，在总共12小时观测时间内，FAST多次观测FRB 180301，看到了15个重复暴发。

更幸运的是，FAST对其中11个重复暴发进行了偏振观测，并获得了其中7个重复暴的高灵敏度偏振信息。

FAST这个观测结果首次在重复暴的单个脉冲之间发现偏振位置角发生变化。

如果快速射电暴真的就是前面讲到的两种起源之一：中子星磁层相关，或者中子星相对论激波相关，那么FAST的观测结果相当于宣布“中子星磁层相关”这一理论的正确性。因为相对论激波相关理论难以产生变化的偏振位置角。

FAST的裁定（二）

2020年4月28日，加拿大氢强度映射实验（CHIME）的柱状面望远镜探测到一个快速射电暴。随后，天文学家在美国STARE2望远镜日常观测数据中，也找到了这个快速射电暴。根据这个快速射电暴到达地球的日期，它被命名为FRB 200428。FRB 200428出现的位置，与一颗已知的磁星SGR 1935+2154（为了方便大家阅读，以下简称“磁星S”）的位置重合。

磁星是带有强磁场的中子星。其典型磁场强度达到10的14次方高斯（一百万亿高斯）。作为比较，地球的磁场强度约为0.25~0.65高斯。

当科学家像以往那样通过色散量去估计这个快速射电暴的距离时，发现它应该在银河系里面！并且估计出来FRB 200428的距离与磁星S的距离也基本一致。相同的方向，相同的距离，也就是说FRB 200428的信号来自于磁星S。这是天文学家第一次观测到位于银河系内的快速射电暴。

磁星S是一个软伽马射线重复源（Soft-Gamma-ray Repeater，SRG），就是说它会多次发出软伽马射线波段的电磁波。由于此前天文学家就有认为快速射电暴可能与软伽马射线重复暴存在联系，所以早在FRB 200428被探测到之前，我国天文学家就开始使用FAST望远镜对磁星S进行多次监测，希望证明快速射电暴与软伽马射线重复暴之间是否存在联系。

可惜的是，在快速射电暴FRB 200428出现的时候，FAST正忙着观测其他星星。而且在FAST对磁星S进行观测的时候，也没有出现其他的快速射电暴事件。

幸运的是，在FRB 200428达到地球的14个小时之前，FAST对磁星S进行了大约一个小时的连续观测，而在这段时间内，磁星S发出了29个软伽马射线暴。

简单地说，这事情的逻辑是这样的：

大家怀疑快速射电暴和软伽马射线暴之间有联系，于是FAST就去盯着一颗可能会出现软伽马射线暴的磁星看，想知道等这颗磁星出现软伽马射线暴的时候会不会出现快速射电暴。而观测的结果是，软伽马射线暴出现了29个，快速射电暴并没有对应地出现。那这个结论就很明显了：快速射电暴和软伽马射线暴之间可能并没有明显的关系。

FAST的这一观测结果，同样也在说明，快速射电暴的起源应该是中子星磁层相关，而非相对论激波相关。

FAST在2020年4月30日对磁星S也进行了一个小时的观测。在这个观测中，FAST探测到来自该磁星的一个微弱的射电脉冲信号。这个脉冲信号比美国STARE2望远镜确定的快速射电暴FRB 200428信号强度弱了大约两千五百万倍，所以FAST看到的并不算是快速射电暴。但FAST看到的这个信号与快速射电暴FRB 200428具有一致的色散量和法拉第旋转量，可以说明这个弱脉冲与FRB 200428应该来自同一天体。

起源非磁星莫属？并不一定

那么，快速射电暴就肯定来自于磁星了吗？天文学家给出的答案是否定的。

此次多台天文望远镜对快速射电暴FRB 200428的观测结果，只能说明磁星是快速射电暴一种可能的起源，并不能说明所有快速射电暴都来自磁星。

FRB 200428的能量比起发现的银河系外最弱的快速射电暴要弱30倍，而比起发现的最强的快速射电暴，则要弱一亿倍！因此，有天文学家认为较暗的、有重复暴发的快速射电暴起源于磁星；只观测到一次暴发的，通常也是较亮的快速射电暴，则起源于两个致密天体（如：白矮星、中子星、黑洞）碰撞合并，或其他极端现象。

不过，也有天文学家认为现在探测到的快速射电暴并没有表现出明显的分类趋势，我们可以认为它们都是来源于同一类物理起源。

日后也许会有来自多信使天文学的观测结果，来为我们进一步揭开快速射电暴起源的面纱。

期待FAST……

FAST对快速射电暴FRB 180301的偏振观测，以及与快速射电暴FRB 200428相关的观测，有力地说明快速射电暴很可能就是源于磁星的磁层。天文学家对发出快速射电暴的天体，以及产生快速射电暴的物理过程有了进一步的认识。

FAST的观测结果，也是在用实际成果说明：中国的天文学家可以凭借FAST望远镜高超的性能，做出世界一流的研究成果。

让我们期待FAST为我们带来更多的惊喜。

参考文献：

[1] Luo, R. et al. Diverse polarization angle swings from a repeating fast radio burst source. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-020-2827-2 (2020).

[2] The CHIME/FRB Collaboration. A bright millisecond-duration radio burst from a Galactic magnetar. Nature http://doi.org/10.1038/s41586-020-2863-y (2020).

[3] Bochenek, C. D. et al. A fast radio burst associated with a Galactic magnetar. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-020-2872-x (2020).

[4] Lin, L. et al. No pulsed radio emission during a bursting phase of a Galactic magnetar. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-020-2839-y (2020).

[5] Zhang, B. The physical mechanisms of fast radio bursts. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-020-2828-1 (2020)

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