中國天眼首次發現快速射電暴猝滅現象

2022年09月21日23:05

  快速射電暴(fast radio burst,FRB)是宇宙中偶發的射電爆發事件。在幾毫秒內,它們所釋放的射電波段的能量,相當於全世界當前總發電量累計幾百億年的總和,但目前快速射電暴的物理起源仍然不清楚,其中心機制尚屬未知。

  新京報記者從中國科學院國家天文台獲悉,中國天眼FAST快速射電暴優先和重大項目科學研究團隊開展了對快速射電暴20201124A的深度觀測,獲得了迄今為止最大的快速射電暴偏振觀測樣本,首次探測到了距離快速射電暴中心僅1個天文單位(即太陽到地球的距離)的周邊環境的磁場變化,對確定快速射電暴中心引擎機制邁出關鍵一步。該成果於北京時間2022年9月21日在國際學術期刊《自然》雜誌發表。

  本次成果藝術圖:快速射電暴和宿主星系藝術想像圖。世界最大單口徑射電望遠鏡中國天眼(左下)和空間解像度最高的單口徑光學望遠鏡凱克望遠鏡(右上)承擔本研究觀測。繪圖: 喻京川、傅海

  獲得迄今為止爆發數量最多的快速射電暴偏振觀測樣本

  快速射電暴於2007年首次被報導發現,迄今已經發現了幾百個。早先探測到的快速射電暴主要來自銀河系外,2020年探測到來自銀河系磁星(一類磁場極強的中子星)的快速射電暴,表明有一些快速射電暴可以起源於磁星,但是那些銀河系外的快速射電暴,尤其是那些能夠重複爆發的快速射電暴的起源依然未知。此外,快速射電暴雖然有大量射電波段的觀測資料,但長期以來仍缺乏對其核心區物理參數的直接觀測資料。

  此次研究團隊使用FAST對位於銀河系外的快速射電暴20201124A進行了長期監測,在54天共計82小時觀測中測到了來自這個快速射電暴的1863個爆發脈衝信號,它的高事件率使其成為最活躍的幾個會重複爆發的快速射電暴之一。

  “這個快速射電暴是在2020年11月24日被加拿大科學家發現的,我們監測了很多的快速射電暴,其中它具有非常奇怪的物理特性,所以對其進行了長期監測。”北京大學研究員、國家天文台研究員李柯伽告訴新京報記者。

  基於這一迄今為止爆發數量最多的快速射電暴偏振觀測樣本,該研究團隊取得了多個重要發現,均屬於國際首次。

  首次揭示快速射電暴密近環境動態演化

  研究團隊“拍攝”到了快速射電暴法拉第旋轉量(可以幫助測量環境中的磁場強度)動態演化的“電影”,首次發現了法拉第旋轉量的奇異演化行為,即在前36天里法拉第旋轉出現了無規律的以天為時標的演化。“前36天每天都在變化,而在隨後的18天里幾乎不變。”本文合作通訊作者內華達大學拉斯維加斯分校張冰教授說。

  團隊還首次發現了快速射電暴的猝滅現象,即快速射電暴20201124A從保持高事件率態到在74小時內突然熄滅;首次在FRB中探測到了與之前所有FRB都顯著不同的高圓偏振度脈衝,其最高值達到了75%;首次發現頻率依賴的偏振振盪現象。

  這些現象都說明,在快速射電暴20201124A周圍1個天文單位的密近環境是非常複雜且是在動態演化著的。“以前研究快速射電暴的環境,都是討論其與整個星系的關係,距離是幾千光年。此次研究聚焦其周邊1個天文單位環境,是幾萬分之一光年。”他說。

  根據快速射電暴所在環境判斷其起源

  通過國際合作,該團隊使用美國10米凱克光學望遠鏡(Keck)對這個快速射電暴的宿主星系進行了深度觀測,發現其宿主星系是約銀河系尺度大小、富金屬的棒旋星系。

  據本文合作通訊作者北京大學東蘇勃研究員介紹,那些由於大質量恒星劇烈爆發形成的年輕磁星產生的快速射電暴,其所在區域恒星密度都比較高。此次研究人員發現快速射電暴20201124A所在區域恒星密度較低,處於旋臂之間,距離星系中心中等距離,表明它並非起源於大質量恒星極端爆炸導致的超亮超新星或伽馬射線暴後形成的年輕磁星。

  目前中國天眼FAST快速射電暴優先和重大項目科研團隊近百人在緊密合作,期待找到決定快速射電暴核心物理過程和能源機制的直接觀測證據,引導國際多波段聯合觀測,早日揭示快速射電暴的物理起源。

  新京報記者 張璐

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