快速射電暴和宿主星系藝術(shù)想象圖。世界最大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡中國(guó)“天眼”（左下）和空間分辨率最高的單口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡凱克望遠(yuǎn)鏡（右上）承擔(dān)本研究觀測(cè)。繪圖：喻京川、傅海

54天82小時(shí)，科學(xué)家利用中國(guó)“天眼”（FAST，500米口徑攝電天文望遠(yuǎn)鏡）給銀河系外一個(gè)持續(xù)時(shí)間僅有十幾秒的“神秘信號(hào)”——快速射電暴FRB 20201124A拍了一個(gè)“大片”。相關(guān)研究成果9月22日發(fā)表于《自然》。

快速射電暴幾毫秒的時(shí)間內(nèi)瞬間爆發(fā)的無線電波段的能量，相當(dāng)于全世界當(dāng)前總發(fā)電量累計(jì)幾百億年的總和。自2007年首次發(fā)現(xiàn)以來，迄今科學(xué)家已發(fā)現(xiàn)上千個(gè)此類事件。但它們起源究竟是什么？答案并不十分確定。

科學(xué)家對(duì)這個(gè)河外信號(hào)的近2000次暴發(fā)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，取得多個(gè)國(guó)際首次重要發(fā)現(xiàn)?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)它來自一個(gè)宿主星系的恒星不那么密集的地方，那里的磁場(chǎng)變化非常強(qiáng)烈?！闭撐耐ㄓ嵶髡?、北京大學(xué)教授和中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員李柯伽告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

“用我國(guó)自主研制的世界一流的‘天眼’望遠(yuǎn)鏡，率先看到其他人尚未看到的新現(xiàn)象，這很激動(dòng)人心，也是科學(xué)發(fā)現(xiàn)的魅力所在。”論文共同通訊作者、中科院國(guó)家天文臺(tái)研究員朱煒瑋說，他很榮幸自2017年起就參加了FAST早期調(diào)試工作，并在大裝置建成后參與相關(guān)研究。

同一天，該論文共同作者、南京大學(xué)天文學(xué)系教授王發(fā)印還在發(fā)表于《自然—通訊》的另一項(xiàng)研究中對(duì)此次的觀察結(jié)果進(jìn)行了數(shù)據(jù)建模，在“磁星”之外，為快速射電暴的“雙星起源”潛在動(dòng)力來源提供了證據(jù)。

捕捉奇異現(xiàn)象

FRB 20201124A，是2020年加拿大氫強(qiáng)度測(cè)繪實(shí)驗(yàn)（CHIME）望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的一個(gè)河外信號(hào)。

“這個(gè)大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡很善于抓住新的快速射電暴，它們發(fā)現(xiàn)這個(gè)信號(hào)活躍之后，我們馬上開始跟進(jìn)?！敝鞜槵|告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，這是天文學(xué)國(guó)際合作和信息分享的一個(gè)案例。正如最近國(guó)家天文臺(tái)副研究員王培等利用“天眼”發(fā)現(xiàn)另一個(gè)快速射電暴FRB 20121102A重復(fù)出現(xiàn)并在《天文學(xué)簡(jiǎn)報(bào)》上與國(guó)際同行共享一樣，這樣做可以讓全世界天文學(xué)家第一時(shí)間跟進(jìn)活躍的天體，抓住新的現(xiàn)象。

從2021年4月1日到6月11日，兩個(gè)多月的時(shí)間里，科學(xué)家利用“天眼”，每天用一個(gè)多小時(shí)對(duì)FRB 20201124A展開持續(xù)觀測(cè)。

“就像拍電影一樣，通過無線電的方式，觀看它的物理演化?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡摺?nèi)華達(dá)大學(xué)拉斯維加斯分校教授張冰說，隨著地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，兩個(gè)月內(nèi)觀測(cè)時(shí)間從最開始的下午四點(diǎn)鐘，慢慢地移動(dòng)到了上午，最后一次觀測(cè)到了早上6點(diǎn)鐘。

據(jù)介紹，推算觀測(cè)時(shí)間并不難，只要在計(jì)算機(jī)上“按模型跑兩次就行”。復(fù)雜的是分析和處理在此過程中獲取的大量數(shù)據(jù)——54天82小時(shí)觀測(cè)中的1863個(gè)暴發(fā)的動(dòng)態(tài)脈沖信號(hào)，如此高頻度的爆發(fā)率也使該事件成為最活躍的幾個(gè)重復(fù)暴之一。為了解這些數(shù)據(jù)到底說明了什么，研究者需要開發(fā)新的理論模型。

“稿件是今年7月份接收的，相比觀測(cè)的兩個(gè)多月，過去一年半里我們大部分的時(shí)間在分析所獲得的數(shù)據(jù)能給我們什么信息?！崩羁沦ふf。

讓研究者欣喜的是，他們最終觀察到許多國(guó)際上未曾發(fā)現(xiàn)的快速射電暴現(xiàn)象。

這包括：首次發(fā)現(xiàn)了法拉第旋轉(zhuǎn)量的奇異演化行為，即在前36天里法拉第旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)了無規(guī)律的短時(shí)標(biāo)演化，而在隨后的18天里幾乎不變；首次發(fā)現(xiàn)了快速射電暴的猝滅現(xiàn)象，即從保持高爆發(fā)狀態(tài)在72小時(shí)內(nèi)突然熄滅；首次探測(cè)到與之前所有快速射電暴都顯著不同的高圓偏振度脈沖，其最高值達(dá)到了75%；還首次測(cè)到了偏振度隨著電磁波波長(zhǎng)振蕩的現(xiàn)象。

“這些現(xiàn)象都說明，在FRB 20201124A周圍1個(gè)天文單位（即太陽到地球的距離）的環(huán)境，是非常復(fù)雜并且在動(dòng)態(tài)演化著的?！崩羁沦ふf。

他向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》解釋，法拉第旋轉(zhuǎn)量可以用于了解環(huán)境中的磁場(chǎng)強(qiáng)度，其觀測(cè)到的變化說明了該快速射電暴周圍的磁場(chǎng)環(huán)境發(fā)生了劇烈的變化。同時(shí)，通過偏振振蕩現(xiàn)象，他們認(rèn)為其周圍的磁場(chǎng)達(dá)到了高斯量級(jí)以上。

窺探起源奧秘

此次研究還通過國(guó)際合作使中西望遠(yuǎn)鏡“雙劍合璧”，在無線電波段和光學(xué)波段上優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，為快速射電暴可能產(chǎn)生的宿主環(huán)境和理論機(jī)制提供了新的證據(jù)。

“在對(duì)FRB 20201124A的觀測(cè)中，我們還用位于美國(guó)夏威夷的凱克10米光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)了它的宿主星系，首次分辨出宿主星系的結(jié)構(gòu)，揭示了它周圍幾百光年尺度上的星系環(huán)境。”該論文共同通訊作者、北京大學(xué)教授東蘇勃對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說。

據(jù)介紹，研究團(tuán)隊(duì)利用光譜觀測(cè)確定了宿主星系的精確紅移，可以此估算它距離地球約15億光年。由于大氣湍流的影響，要看清如此遙遠(yuǎn)的宿主星系并非易事，之前的圖像上只能看到模糊的一團(tuán)，而無法辨別其中任何結(jié)構(gòu)。通過與美國(guó)艾奧瓦大學(xué)教授傅海等天文學(xué)家的國(guó)際合作，采用裝有先進(jìn)激光導(dǎo)星的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的凱克望遠(yuǎn)鏡，研究團(tuán)隊(duì)克服了不利影響，首次拍到該宿主星系的清晰圖像。

“這是一個(gè)約銀河系尺度大小的、富金屬的棒旋星系。”論文共同作者、北京大學(xué)博士陳平向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹，所謂的“棒旋星系”，是指恒星組成的一個(gè)“棒狀”結(jié)構(gòu)，穿過星系中心的旋渦星系。研究發(fā)現(xiàn)，此次研究的快速射電暴來源不在“棒”上，也不在“旋渦”的旋臂上，而是處于旋臂之間、距離星系中心中等距離，位于星系盤上恒星密度比較低的區(qū)域。

了解宿主星系的結(jié)構(gòu)和快速射電暴周圍的星系環(huán)境有什么科學(xué)意義呢？

以前科學(xué)家拍攝到的重復(fù)性快速射電暴的宿主星系，無論是來自比銀河系小得多的矮星系，還是類似于銀河系的旋渦星系，快速射電暴大都位于大量年輕恒星的密集誕生地附近。為此，有科學(xué)家提出假說認(rèn)為，快速射電暴可能與大質(zhì)量恒星極端爆炸導(dǎo)致的超亮超新星或伽馬射線暴后形成的年輕磁星有關(guān)。

“但我們的研究表明，此次重復(fù)暴事件處在一個(gè)比較普通的星系環(huán)境里?！睎|蘇勃說，這意味著這個(gè)重復(fù)暴的星系環(huán)境不支持上述假說。

在發(fā)表于《自然—通訊》的研究中，王發(fā)印與合作者基于觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)FRB 20201124A的潛在動(dòng)力來源進(jìn)行了建模分析。

迄今，科學(xué)家建立的快速射電暴起源的模型已有60多個(gè)，如磁星（一類磁場(chǎng)極強(qiáng)的中子星）、中子星并合或中子星和小行星碰撞等。2020年，中外科學(xué)家首次確定銀河系內(nèi)的快速射電暴FRB 200428起源于磁星；但大多數(shù)快速射電暴來自銀河系外，它們的起源仍未得到驗(yàn)證。

王發(fā)印和合作者分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RB 201124A周圍環(huán)境貢獻(xiàn)的法拉第旋轉(zhuǎn)會(huì)改變符號(hào)，表明其周圍的磁場(chǎng)改變了方向，該現(xiàn)象與銀河系內(nèi)PSR B1259-63/LS 2883雙星相似?！斑@表明，它可能來自一個(gè)磁星和Be星（光譜中有明顯的氫發(fā)射線的B型恒星）組成的雙星系統(tǒng)。”他對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說。

他們還發(fā)現(xiàn)，該事件是第一個(gè)具有圓偏振和持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的重復(fù)快速射電暴?！耙话闵潆姳┢骄鶗r(shí)間只有幾毫秒，這次可以達(dá)到15毫秒左右，高出一個(gè)量級(jí)?！蓖醢l(fā)印對(duì)比說，這可能是由于快速射電暴的輻射穿過Be星盤時(shí)，與盤上的電子發(fā)生的散射導(dǎo)致快速射電暴的持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)。此外，其法拉第旋轉(zhuǎn)量存在顯著變化，并伴有退偏振現(xiàn)象，這可能是由于盤上物質(zhì)和磁場(chǎng)不均勻，導(dǎo)致不同視線方向的法拉第旋轉(zhuǎn)值不同而產(chǎn)生的。

據(jù)介紹，該模型該可以解釋最新發(fā)現(xiàn)的其他三個(gè)快速射電暴的法拉第旋轉(zhuǎn)演化（FRB 190520B、FRB 180916和FRB 220529）?！斑@個(gè)模型對(duì)一部分快速射電暴可能起源于雙星系統(tǒng)給出了強(qiáng)有力的證據(jù)，對(duì)這個(gè)領(lǐng)域有非常重要的價(jià)值。”一位審稿人評(píng)價(jià)說。

向真相逼近

2007年第一個(gè)快速射電暴發(fā)現(xiàn)以后，曾有科學(xué)家估算，每10年才能看到一個(gè)射電暴。但過去幾年，大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)性、大規(guī)模的發(fā)展使得這個(gè)研究領(lǐng)域在過去幾年的發(fā)展一日千里，全球已發(fā)表的快速射電暴已有數(shù)百個(gè)，已發(fā)現(xiàn)的實(shí)際上已經(jīng)達(dá)到上千個(gè)。

“得益于‘天眼’這個(gè)大國(guó)重器，過去幾年，中國(guó)科學(xué)家在快速射電暴研究領(lǐng)域不斷產(chǎn)生新的發(fā)現(xiàn)，一直活躍在世界前沿。”朱煒瑋說。

不過，他表示，還有很多問題待回答。例如FRB的起源究竟是什么？為何會(huì)產(chǎn)生如此多的暴發(fā)現(xiàn)象？這需要將天文觀察和理論建模相結(jié)合，不斷發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象和可能性，一步步逼近真相。

實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，李柯伽表示，除了“天眼”外，“慧眼”硬X射線空間望遠(yuǎn)鏡、“天籟”望遠(yuǎn)鏡實(shí)驗(yàn)陣列等基礎(chǔ)設(shè)施將逐步解決天文觀測(cè)中多波段觀測(cè)能力不足的問題?！捌诖覀冞@個(gè)近百人合作團(tuán)隊(duì)能夠依托FAST，牽引更多國(guó)際聯(lián)合觀測(cè)，在未來幾年內(nèi)產(chǎn)出更多重要成果，找到真正能源，為了解這種劇烈天體物理現(xiàn)象做出貢獻(xiàn)?！彼f。

王發(fā)印建議，加強(qiáng)快速射電暴研究人才的培養(yǎng)。目前這一領(lǐng)域大多數(shù)研究者是從脈沖星研究轉(zhuǎn)過來的，人才隊(duì)伍整體力量仍然不足。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05071-8

https://doi.org/10.1038/s41467-022-31923-y