慧眼衛星證認快速射電暴來自於磁星
2021年02月19日11:00

  來源:中科院之聲

  2月19日,國際著名期刊Nature Astronomy(自然·天文學)在線發表了慧眼(HXMT)衛星最新觀測結果:慧眼衛星發現首個跟神秘的快速射電暴相關聯的X射線暴,確認其來自銀河系內的磁星SGR J1935+2154,並在國際上首先證認該X射線暴包含的兩個X射線脈衝是快速射電暴的高能對應體。這一發現,與國際上其它望遠鏡的觀測一起,證明快速射電暴可以起源於磁星爆發,破解了快速射電暴的起源之謎,並為理解快速射電暴的輻射機製和磁星的爆發機製提供了至關重要的數據。本研究工作主要由中國科學院高能物理研究所(高能所)、北京師範大學、美國內華達大學、清華大學等單位完成。

  快速射電暴(Fast Radio Burst,簡稱FRB)是2007年發現的神秘的天文現象,持續時間只有幾毫秒,其起源和產生機製是當今天文學最大的謎題之一。要弄清快速射電暴產生的原因,關鍵有兩點:第一是要找到其對應的天體,第二是看到快速射電暴在其它波段的輻射,限製其物理機製。

  2020年4月28日,格林威治時間下午2點34分,加拿大CHIME實驗和美國STARE2實驗同時看到了一個亮度極高的快速射電暴,被命名為FRB 200428,其方向與銀河系內的磁星SGR J1935+2154方向大概一致,而且根據恒星際介質對不同頻率射電信號之間的時間延遲推算,暴發源的距離為大約3萬光年,也跟SGR J1935+2154大致相符,因此,FRB 200428很可能起源於銀河系內的這顆磁星,但還需要更多的觀測證據加以確認。

  磁星是表面磁場強度為地球磁場強度百萬億倍以上的中子星,在活躍期間會出現劇烈的X射線暴發,因此很多理論家認為它們也可以產生快速射電暴。2020年4月中旬,SGR J1935+2154進入了一個新的活躍期,開始出現頻繁的X射線暴發。在這種情況下,慧眼衛星調整了既定的觀測計劃,對這顆磁星進行了長時間定點觀測。在FRB 200428之前約8.6秒,慧眼衛星探測到了來自這顆磁星方向的一個極亮的X射線暴發,它同時也被歐洲的INTEGRAL衛星、俄羅斯的KONUS-WIND探測器和意大利的AGILE衛星監測到。這個時間差別正好與恒星際物質對射電信號的延遲相當,說明X射線暴和快速射電暴起源於同一次爆發。此外,慧眼衛星基於獨特的準直器設計,對X射線暴進行了高精度定位,從而證明了該X射線暴和快速射電暴都來自這顆磁星。這是人類首次確認快速射電暴的起源天體,也是首個起源於銀河系內的快速射電暴。對於理解快速射電暴的物理本質,這是一個重要的里程碑。關於FRB200428的相關研究成果,被英國《自然》雜誌評為2020年十大科學發現之一,也被美國《科學》雜誌列入2020年十大科學突破。

  跟其它高能天文衛星的觀測數據相比,慧眼衛星對FRB 200428的觀測數據統計性最好、能區覆蓋最寬,提供了最為豐富、精細的時變和能譜信息。慧眼衛星還是國際上獨立定位了該X射線暴的兩顆天文衛星之一,定位精度遠遠高於探測到FRB 200428的兩個射電望遠鏡的精度。在這個X射線暴發的光變曲線中,慧眼衛星探測到兩個X射線脈衝跟快速射電暴的兩個峰在時間上高度吻合,該結果後來也被其它衛星的數據所證實。慧眼衛星還是唯一給出了暴發期間X射線能譜詳細演化的設備,發現該X射線暴峰值處的X射線能譜和其它時間段暴的能譜顯著不同,同時也與絕大多數的磁星X射線暴明顯不同。這些結果對於理解快速射電暴的產生機製至關重要,

  總結而言,慧眼衛星發現了:1)該X射線暴來自於磁星SGR J1935+2154;2)該X射線暴的兩個X射線脈衝是該快速射電暴的高能對應體;3)該X射線暴的能譜十分特殊。因此,慧眼衛星證認了快速射電暴的磁星起源,該重大發現對於理解快速射電暴的產生和輻射機製具有關鍵作用。這次對該磁星和快速射電暴的觀測,也體現了慧眼衛星作為空間天文台的強大科學能力。

  慧眼衛星是我國第一顆空間X射線天文衛星,由高能所李惕碚、吳枚等在1993年提出。慧眼衛星的研製得到了國家國防科技工業局民用航天科研經費和中國科學院空間科學先導專項的共同支援,高能所作為首席科學家單位,負責衛星有效載荷、地面應用系統和科學研究工作,航天科技集團公司五院為衛星總體單位,參加慧眼衛星工程的還有清華大學、中國科學院國家空間科學中心、北京師範大學等單位,慧眼衛星探測器的標定工作得到了中國計量科學研究院、意大利Ferrara大學和德國馬普地外物理研究所的參與和大力支援。自2017年6月15日發射升空以來,慧眼衛星已在軌穩定運行超過3年半,並在黑洞、中子星等研究方面取得一系列重要成果。

  來源:中國科學院高能物理研究所

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