中國留學生發現銀河系中心傳來神秘信號,難以用任何已知現象解釋

2021年10月14日09:00

  在昨天發表於《天體物理學雜誌》的一篇論文中,雪梨大學的博士研究生王子騰表示,他們團隊發現了來自銀河系中心的神秘射電信號源ASKAP J173608.2-321635。這種神秘的信號具有強烈的偏振,亮度變化極大,研究團隊嚐試了所有他們已知的天體,都無法解釋這種信號的來源。他們表示,這可能是一種全新的天體。

  撰文 | 王昱

  審校 | 王子騰(論文第一作者)

  可見光是一種電磁波,在波長比紅光更長的方向上,分佈著紅外線和波長更長的無線電波。很多天體都會發出無線電波,被天文學家稱為射電輻射。天文學的一個分支,就是在射電波段進行觀測,被稱為射電天文學。發現宇宙微波背景輻射、發現脈衝星、間接證明引力波的存在,還有近年來拍攝的黑洞照片,這些對人類而言至關重要的成就,都是射電天文學獲得的成果。

  而昨天在《天體物理學雜誌》上發表的論文中,雪梨大學的博士研究生王子騰所在的團隊表示,他們在銀心(Galactic Center)用射電波段發現了一種神秘信號,這種無線電信號很可能來自於一種全新的天體。

  正確的地點,正確的望遠鏡

  除了最中心的黑洞之外,銀心本身就是一個神奇的地方。這裏具有較高的恒星密度,具有活躍的恒星形成活動,是個尋找射電暫現源的好地方,這種天體往往突然發出射電輻射,很快就會再次回歸沉寂。X射線雙星(X-ray binary)和銀心射電暫現源(Galactic Center Radio Transient,GCRT)等天體就是在銀心區域發現的。

  研究團隊用澳州平方千米陣探路者(Australian Square Kilometre Array Pathfinder,ASKAP)在銀心區域展開了瞬變源與暫現源巡天(Variables and Slow Transients survey,ASKAP VAST survey)。相比於一般的射電望遠鏡陣列,ASKAP有著30平方度的巨大視場,可以更高效地進行巡天觀測。ASKAP在劃定的250平方度銀心區域內不斷監測著天體的射電信號。

  2020年1月,研究團隊發現了一個奇怪的信號,他們將這個源命名為ASKAP J173608.2-321635。“其異常之處在於信號偏振程度極高,即天體產生的光只在一個方向振盪,但振盪方向隨時間旋轉,”論文第一作者王子騰說,“信號的強度也有明顯變化,變化幅度高達100倍,且變化是隨機的。我們從未看到過類似的東西。”這個源隨機重復出現,每次持續幾天或數週。一直到2020年9月, ASKAP在888MHz的頻段上共觀測到這個源6次。

  奇怪的信號

  面對這個奇怪的信號,研究團隊的第一反應是這可能是一個脈衝星。脈衝星是一類高度磁化的旋轉緻密天體,它的磁極會發出電磁輻射束。隨著脈衝星旋轉,電磁輻射束按照固定的時間間隔到達地球,我們就能看來自脈衝星固定時間間隔的射電信號。他們申請使用帕克斯射電望遠鏡(Parkes Radio Telescope)對這個源進行觀測,每次觀測持續30分鐘,時間解像度達到32µs,頻率範圍從704MHz延伸到4032MHz。但就算這樣,研究團隊還是沒能找到脈衝星的痕跡。

  值得一提的是,脈衝星本身也是由異常的射電信號發現的。1967年,當時也是博士研究生的約瑟琳·貝爾(Jocelyn Bell)用射電望遠鏡發現了一種神奇的週期性信號,這種信號嚴格按照1秒左右的週期跳動,她當時還將這個信號命名為“小綠人1號”( Little Green Man 1)。信號的來源在幾年後被證實是一顆快速旋轉的脈衝星,這一成果在1974年被授予了諾貝爾物理學獎。

  帕克斯射電望遠鏡的觀測完成後,研究團隊又嚐試用位於南非的MeerKAT射電望遠鏡進行觀測,它具有更高的靈敏度,頻率範圍是1.0-3.0GHz。“由於信號斷斷續續,我們每隔幾週就觀測這個源15分鐘,希望能再看到這個源,”論文通訊作者塔拉·墨菲(Tara Murphy)教授說,“幸運的是,我們再次發現了這些信號,但是這次發現的信號的行為與上次發現的完全不同——這個信號在一天之內就消失了,而在先前ASKAP的觀測中,這個信號持續了幾週。”

  除此之外,研究團隊還在更高頻率的射電波段進行尋找,但收穫寥寥。同時,他們也在近紅外波段、X射線波段進行了尋找,還查找了射電信號的歷史數據庫,結果都沒有找到對應天體。

  研究團隊總結出了這個射電源的特點:變化劇烈,其強度能在一週之內變化一百倍以上;能持續發射數週,卻又能在一天之內完全消失;具有高度圓偏振和線偏振;沒有脈動現象(脈衝星對應的現象);在近紅外和X射線波段沒有對應體。

  未知的來源

  恒星、磁陀星、脈衝星和銀心射電暫現源這幾種天體都能發出射電信號,研究團隊便對著這些源去尋找信號來自這些源的可能性。

  太陽耀斑爆發時能發出較強的射電輻射,對其他恒星也是如此。但恒星同時會發射出紅外輻射和X射線,在紅外波段和X射線波段的研究並沒能找到合適的對應體,也就排除了ASKAP J173608.2-321635是一顆恒星的可能。同時,磁陀星的頻譜一般較為平坦,和ASKAP J173608.2-321635陡峭的頻譜完全不同,這也排除了它是磁陀星的可能。同時,強烈的偏振排除了X射線雙星的可能。而超新星的時間尺度往往長達數年,持續時間遠長於ASKAP J173608.2-321635,並且同一個超新星不可能重複爆發,超新星的可能也就被排除了。

  正如前文所說,帕克斯射電望遠鏡的高時間解像度測量沒有找到脈衝星的痕跡,這其實已經基本排除了ASKAP J173608.2-321635是一顆脈衝星的可能。但面對射電信號強烈的偏振和陡峭的頻譜,研究團隊還是認真考慮了脈衝星假設。他們發現,如果ASKAP J173608.2-321635是一顆週期超長的脈衝星,例如擁有幾個小時的週期,就可能能逃脫他們現在的檢測。當然也有可能是週期超短的脈衝星,如果它的脈衝信號因為星際介質的作用而變寬,也會導致無法探測,有很多未發現的脈衝星可能會是這種情況。但對於大多數已知脈衝星而言,它們不可能發出類似ASKAP J173608.2-321635的射電信號。

  他們還討論了引力透鏡或等離子透鏡等外部成因。但如果ASKAP J173608.2-321635是由這些效應造成的,每次這個源重新出現時的亮度應該千差萬別。沒有哪種已知的外部成因能產生符合這個源特點的射電輻射。

  考慮到ASKAP J173608.2-321635在天球上距離銀心只有4度,王子騰的另一位導師戴維·卡普蘭(David Kaplan)教授表示:“我們已知的信息的確和另一種新興的、謎一般的天體有些類似,這種天體被稱為銀心射電暫現源。”但ASKAP J173608.2-321635的輻射特徵也並非完全符合銀心射電暫現源的特徵,更何況,銀心射電暫現源本身的來源就是一個謎,研究團隊還是沒能找到這些射電信號的來源。

  到論文發表時,研究團隊在16個月的研究曆程中共探測到ASKAP J173608.2-321635活躍了12次,但他們仍然無法確定這個源對應哪些天體,更不用說是由何種機制產生的。研究團隊將持續關注ASKAP J173608.2-321635,期望能找到更多關於這個神秘射電源的線索。

  參考鏈接:

  Ziteng Wang et al 2021 ApJ 920 45

  https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac2360

  https://phys.org/news/2021-10-strange-radio-emerge-galactic-centre.html

  https://www.eurekalert.org/news-releases/931021

  本文轉自環球科學

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