全球首例！FAST如何发现这个“勤奋”的快速射电暴？
编者按：
中国天眼FAST又有新发现！
借助FAST，中国科学院国家天文台李菂研究员领导的国际团队发现了迄今为止唯一一例持续活跃的重复快速射电暴 FRB 20190520B，为构建快速射电暴的演化模型、理解这一剧烈的宇宙神秘现象打下了基础。该成果于北京时间2022年6月9日在国际学术期刊《自然》杂志发表。
这个快速射电暴为啥是“勤奋”的？还有哪些特殊之处？今天，我们请这篇《自然》文章的作者，中国科学院国家天文台李菂研究员、青年学者牛晨辉来讲述他们追寻FRB的故事。
每次有机会仰望星空，思维总能变得深邃起来，这种感觉和在海边看海的感觉是不一样的。我在艳阳下的海滩见过平静的海岸，也在礁石边注视过破涛汹涌的浪花，大海能带走人们的烦恼，让人瞬间平静下来。
而当抬起头看到浩瀚星河的那一刻，我们更容易变成思考者，“我们从哪里来，到哪里去？”“宇宙有没有尽头？”“会不会有外星人同时也在远处这么看着我？”……也正是由于人们对神秘未知宇宙的好奇，才有了天文学这一门学科。作为天文研究者的我们，正在追寻着宇宙中一种神秘的信号——FRB。
快速+射电+暴=FRB
宇宙一直是一个神秘的存在，我们尚不能完全理解我们赖以生存的星球，更别提宇宙中那些超乎我们想象力之外的奥秘了。人们眨一下眼睛的时间大概300毫秒，而宇宙中有种现象，可以在1毫秒的时间内爆发出太阳大约一年才能辐射完的能量，这种现象就是最近天文学中非常火爆的领域——快速射电暴。
快速射电暴（Fast Radio Burst，FRB）领域的研究历程并不长，直到2007年，帕克斯（Parkes）望远镜才公布首例快速射电暴[1]。根据推算出的距离，那次爆发比以往探测到的射电单脉冲要明亮很多，但当时人们还不确定该信号是什么，也没有用日后常用的“FRB”来称呼它。该暴由FRB领域创始人邓肯·洛里默（Duncan Lorimer）发现，后来也被人们称为洛里默暴（Lorimer Burst），如图1所示。在最近十几年时间里，该领域得到了飞速发展，成为天文领域的热门方向。
图1. 2007年公布的洛里默暴（Lorimer burst）动态谱[1]。
从“一次性”到“可重复”
像绝大多数天文发现一样，快速射电暴领域的发展是由观测设备的更新以及新技术应用所推动的。比如第一例快速射电暴的发现得益于高时间分辨率终端以及多波束接收机的装配；第一次找到快速射电暴对应的宿主星系得益于干涉阵列高时间分辨率的实时搜寻；FRB 20121102A上千次爆发的最大样本集得益于FAST望远镜大口径带来的高灵敏度[2]；澳大利亚平方公里阵列探路者射电望远镜（ASKAP）公布的非重复暴定位工作得益于相控馈源及多波束合成搜寻技术。
而随着该领域不断取得突破，世界上越来越多的望远镜都装配了快速射电暴搜寻终端，扩大了快速射电暴样本集，促进了该领域的发展。随着一批望远镜对该领域的持续投入，快速射电暴源的个数也从早期的个位数增长到了目前近500例。
早期，人们发现的快速射电暴都只探测到一次爆发，当时“不可重复性”成为了快速射电暴的一个标签。直到 2016 年，被重复探测到爆发的FRB 20121102A打破了人们对快速射电暴的传统认识——原来还有一类快速射电暴可以多次爆发，它们的爆发期称为窗口期。
虽然可以被重复探测到，研究人员并没有搜寻到如脉冲星那样的短周期。重复暴有很多可研究内容，比如搜寻其宿主星系，进行多波段观测等。在目前的几百余例快速射电暴样本中，重复快速射电暴源的数目只有24个，而其中活跃重复暴（即在其窗口期内频繁爆发）仅有个位数，是非常珍贵的研究样本。
在“浪漫”的日子里发现了“勤奋”的它
作为目前世界上最大的单口径望远镜，FAST也在几年前开展了快速射电暴的搜寻工[3][4]。CRAFTS项目是李菂研究员负责的FAST重大优先项目，快速射电暴的搜寻工作是该项目中的一个重要方向。国家天文台朱炜玮研究员负责的FAST另一优先重大项目“快速射电暴巡天”为FRB 20190520B的后随观测提供了重要支撑。2020年，FAST多科学目标同时巡天（CRAFTS）优先重大项目公布了基于调试数据发现的四例新的非重复快速射电暴，这几例快速射电暴是FAST首批发现的快速射电暴，填补了快速射电暴在高色散低流量通量的样本空白[5]。
2019年5月20日，我们在处理观测数据时，发现FAST探测到了一例活跃的重复快速射电暴。依据惯例，我们用探测日期来命名快速射电暴，称为 FRB 20190520B。在今天看起来，“190520”也许就象征了我们和这个FRB的“浪漫”相遇。
在最初被探测到时，FRB 20190520B就表现出活跃的迹象。我们在同一个波束扫过的10秒中内，看到了3次爆发，而20秒后，另外一个波束扫到相邻位置时又探测到1次爆发[6]。根据FAST漂移扫描中最开始发现的 4 次爆发的时间及望远镜指向，我们将爆发区域缩小到了5角分的范围内（如图3所示），而这也为后续利用干涉阵列跟踪提供了相对精确可靠的位置信息。
其他重复快速射电暴只有在爆发窗口期才能探测到信号，而在FAST的后续跟踪观测中，每次都能收到FRB 20190520B发来的“射电情书”，有时候是十几封，有时候只有几封，但从未间断，可以说是“相当勤奋”了。它也是目前找到的唯一持续活跃的重复FRB。
图2. FRB位于银道坐标系下的全天分布，红色五角星位置是FRB 20190520B。其他快速射电暴都有窗口期，而勤奋的FRB 20190520B从未停歇。
通过国际合作，看到了更特殊的它
找到FRB 20190520B之后，我们的国际团队通过组织多台国际设备天地协同观测，综合射电干涉阵列、光学、红外望远镜等数据，发现了它更多的特殊之处。
这个过程就像是我们想尽办法，终于抓到了“神兽”的蛛丝马迹
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图片来源：中国科学院国家天文台
1.利用VLA定位到更精确位置——发现了持续射电源
宿主星系是快速射电暴的“家”，一般快速射电暴的“家”都在银河系外，通过了解其宿主星系可以更好地帮助我们了解其起源。
为了获取更精确的位置从而找出其宿主星系，我们申请了美国甚大阵列（Very Large Array, VLA）的观测。2020年7月20 日，我们开始了VLA对FRB 20190520B的搜寻观测。由于FAST提供的位置相对精确以及FRB 20190520B非常活跃，我们在第一次的VLA观测中就探测到了来自FRB20190520B的爆发，并将该源的位置限制在了亚角秒的范围内。
更加令人兴奋的是，我们在快速射电暴成协的位置，发现了一颗致密的持续射电源的存在，这是继首例重复暴FRB 20121102A后，第二例探测到伴随有致密持续射电源的快速射电暴。虽然这个持续射电源的对应体究竟是什么还未知，但有学者认为，FRB的起源与致密射电持续源有着非常重要的关系。
图3.FAST与FAST首次探测到的FRB20190520B四次爆发。
2.寻找FRB20190520B宿主星系——距离我们30亿光年
有了角秒级的定位，我们通过搜寻存档的光学望远镜数据，找到了FRB20190520B的“家乡地址”，并马上组织了对宿主星系的光学后随观测。通过美国帕洛玛 200 英寸望远镜（Palomar 200-inch telescope）和凯克（Keck）望远镜，我们分别得到了两组光谱。分析发现，这两组光谱数据呈现出一致的结果：FRB 20190520B的宿主星系是一个红移 0.241 的矮星系，距离我们30亿光年。
图4.FAST望远镜与VLA望远镜合成图，上图为VLA阵列，下图为FAST。
3.复杂的宿主星系环境——挑战经典模型
射电信号在空间传播时，会与路径中的介质相互作用从而产生色散效应。我们用色散值表征传播路径中电子数密度总和。FRB 20190520B拥有相对高的色散值，表明其传播路径中穿过了复杂的电子分布。我们根据测定的红移信息，得出其宿主星系内贡献的色散值高达约 900 色散单位，这是目前得到宿主星系贡献色散值最大的快速射电暴，证明其近源位置具有非常高的电子密度。
传统的色散关系认为，快速射电暴的色散现象大部分是由宿主星系与银河系之间的星系际电子贡献的，而我们这次发现的FRB 20190520B远远偏离了色散与红移关系，挑战了经典的色散分析方法。
图5. 从色散-红移关系上清晰可见FRB 20190520B远远偏离了其他快速射电暴。图中斜线为包含了宇宙主要重子物质成分的“Macquart Relation[7]”，阴影区域为cosmic variance[6]。
结语
FRB 20190520B的发现虽具有一定的偶然性，但更是我国持续增加的大科学装置投入取得突破的必然，得益于以南仁东先生为代表的几代天文人的努力。2020年，FAST启动“快速射电暴巡天”优先重大项目，和另一个优先重大项目“多科学目标同时巡天”，为后续观测提供了重要的时间支持。
相比于其他快速射电暴，FRB 20190520B可以说是最勤奋的快速射电暴。它的“勤奋”像极了我国科研人员勤勤恳恳、默默付出、敢于坚守冷板凳的奉献精神。我们年轻一代的科研工作者出生在了一个伟大的时代，老一辈科学家们经过几十年呵护的小树苗如今已经长成了参天大树。站在巨人的肩膀上，我们更加自信，也要将这种科学精神传承下去。
从FRB 20190520B的发现到现在，我们利用FAST已经探测到了数百次爆发，获得了大量的宝贵数据，期待之后更多、更精准的观测可以帮助我们揭开快速射电暴的神秘面纱。
（本文图片除注明来源者外，均由作者提供）
参考文献：
[1] Lorimer, D. R., et al. 2007, Science, 318, 777
[2] Li, D., Wang, P., Zhu, W. W., et al. 2021, Nature, 598, 267
[3] NAN, R., LI, D., JIN, C., et al. 2011, Int J Mod Phys D, 20, 989–1024
[4] Li, D., Wang, P., Qian, L., et al. 2018, IEEE Microwave Magazine, 19, 112.
[5] Niu, C.-H., Li, D., Luo, R., et al. 2021, ApJL, 909, L8
[6] Niu, C. H., Aggarwal, K., Li, D., et al. 2021, arXiv:2110.07418.
[7] Macquart, J.-P., et al. 2020, Nature, 581, 391–395
作者单位：中国科学院国家天文台
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