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科學家首次精確定位“快速射電暴” 劍指40億光年外的星系

【騰訊科技編者按】大家是否還記得年初那篇《外媒炸裂!真是外星人?宇宙深處神秘信號到底要不要回應?》的自媒體文章?其實是一種叫“快速射電暴“的自然現象。

最近,天文學家首次對非重複的“快速射電暴“進行了精確定位,劍指40億光年外的一個星系。國家天文台博士研究生王維揚對這個事件以及重複“快速射電暴”的低頻對應體事件進行了專業解讀。

文/ 王維揚 國家天文台博士研究生

2019年6月28日,我同平常一樣打開arXiv,兩篇關於快速射電暴的文章引起了我的注意。

其中一篇文章講述了ASKAP團隊實現了對非重複快速射電暴的精確定位,這是一篇快速射電暴領域非常重要的工作,當天上午我的朋友圈便被這項工作“刷爆”了。而另一篇,是關於CHIME搜尋到第一個重複暴低頻異塵餘生的文章,可能並不起眼,但也是一篇重要的工作。

FRB簡介

快速射電暴,英文縮寫FRB,是指一種毫秒量級亮度極高的射電異塵餘生現象。FRB最早於2007年,被Duncan Lorimer教授於Parkes的歷史搜尋中找到(Lorimer et al. 2007)。隨後,全世界各大射電望遠鏡紛紛投入FRB的探測中,目前,公布的FRB已有將近100個,可重複的FRB兩個。FRB通常具有較高的色散量(DM~100-2600 pc cm^-3),對比FRB方向上銀河系等離子介質DM的貢獻,人們發現FRB應該是一些銀河系外的起源。如果我們追溯“FRB”一詞的歷史,會發現它最早使用於雲南天文台學者1989年對太陽射電異塵餘生爆發的研究中。當然,這個FRB並不是我們今天要提的這種流量極高的短快外星系射電暴。

如果我們假設FRB的異塵餘生是各向同性的,我們發現FRB的亮度可以達到太陽的幾千萬甚至幾百億倍。能夠在如此短的時間內產生如此強大的異塵餘生,致密天體的活動成為了FRB最有可能的起源。然而,FRB究竟來自於怎樣的天體活動過程,尚無定論。為了進一步揭開FRB起源的神秘面紗,全球科學家正在不懈地探索中。

FRB的精確定位始終是一個難題。由於這種異塵餘生發生的時間太短,我們很難精確地給出FRB在天區中的位置,當然如果它們有重複,“一次不行,兩次;兩次不行,更多次”, FRB重複暴的發生降低了我們定位的難度。可目前看來,並不是所有的FRB都具有重複性,重複暴或許只是FRB家族中一些極端分子。

非重複FRB的精確定位

最近,ASKAP團隊首次實現了非重複FRB 180924的精確定位。ASKAP是一個位於澳大利亞,由36個單天線組成的射電望遠鏡陣列。在其處於調試運營階段時,ASKAP團組便成功捕獲了20多個FRB信號。本次使用天線干涉模式的觀測,大大提高觀測精度。

2018年9月24日的運行觀測中,一例名為FRB 180924的事件被成功捕獲,並且後續的跟蹤觀測中,暫未發現其重複性。科學家們通過聯合光學波段的觀測結果,成功確認了FRB 180924位於一個名為DES J214425.25-405400.81的早型漩渦星系中,定位精度可達0.004角秒,如圖4所示。進一步研究宿主星系一些元素譜線的紅移特徵,發現這個宿主星系的紅移約為0.32,推算它距離我們大約40億光年。高精度的定位顯示這個FRB源的位置,距離宿主星系中心大約4 kpc,即1.3萬光年的位置。因此,這個FRB並不位於漩渦星系的中心,表明它的起源很可能與超大質量黑洞的爆發無關。

講到這裡,筆者忍不住對比第一個重複暴FRB 121102的觀測結果。重複暴FRB 121102早在2017年就認證了它的宿主星系(Chatterjee et al. 2017),其宿主星系是一個矮的恆星形成星系。這個宿主星系距離我們大約30億光年,紅移約為0.19。我們發現FRB 121102和FRB 180924兩者的宿主星系截然不同。非重複FRB 180924的宿主星系恆星形成率非常低,且宿主星系貢獻的DM看上去也比該重複暴的小一些。這似乎暗示我們,重複暴和非重複暴可能具有不同的物理機制。

科學家還在FRB 121102附近(40 pc以內的區域)發現了一個持續產生射電異塵餘生的天體,這個天體究竟是什麽至今尚不清楚。類似的持續射電源尚未在非重複暴中被觀測到。對比另一個重複暴FRB 180814.J0422+73,至今還沒有在這個重複暴附近找到持續射電異塵餘生的天體的蹤跡。

當電磁波穿過磁化等離子時,電磁波的偏振面在磁化等離子體內以前進方向為軸不斷旋轉,這種現象現象稱為Faraday旋轉效應。通過電磁波的偏振測量可以計算出Faraday旋轉量。法拉第旋轉量(RM)正比於等離子媒介的數密度於沿傳播方向磁場分量的路徑積分,故而反映了傳播路徑上的磁場強度。觀測發現,FRB 180924的RM只有14 rad m^-2,遠遠小於重複暴FRB 121102。重複暴FRB 121102的RM 約為100000 rad m^-2,這表明它應該處於一個磁場環境極高的環境中(Michilli et al. 2018)。如此高的RM值,目前還沒有在其他FRB中找到。此外,FRB 180924的線偏振成分大約為80%,而FRB 121102則高達100%。這似乎暗示我們,FRB 121102具有極其特殊的電磁場環境。重複與非重複FRB電磁環境的差別,是否會表明它們具有不同的起源,這是一個值得研究的問題。

FRB 121102的低頻對應體

重複FRB的研究,一直以來都被許多科學家所關注。重複暴不僅有利於實現FRB的精準定位,還可能攜帶了更多關於FRB起源的物理信息。由於望遠鏡探測頻段的限制,科學家先前只在1-8 GHz頻段探測到了FRB 121102的射電信號。“加拿大氫強度測繪實驗”射電望遠鏡(CHIME)的觀測頻段為400-800 MHz,相對其他望遠鏡較低。隨著CHIME的投入使用,13位新的FRB成員加入射電暴大家庭,並且重複暴不再是獨一無二的個例。

就在arXiv上公布非重複暴定位的同一天,CHIME團組公布了他們在低頻波段找到FRB 121102的低頻對應體。值得一提的是,在低頻波段的消色散圖像中,同樣發現了子脈衝的時間-頻率漂移結構。根據經典的電磁場理論,不同頻率的電磁波穿過等離子介質時,具有不同的群速度,這會導致高頻電磁波早於低頻電磁波到達接收機,這種現象叫做色散。處理分析射電脈衝信號的過程中,消除色散的影響是非常重要的一環。Hessels等於2018年發現,重複暴FRB 121102在1-8 GHz波段,即使扣除了星際介質色散的影響,依然不能將所有頻率的脈衝信號調整到同一到達時間。FRB 121102的消色散圖像中,存在一些子脈衝結構,每個子脈衝的中心頻率都不相同,且具有不同的到達時間,這一現象被稱為時間-頻率漂移。

本次低頻探測中,CHIME看到了類似的漂移結構,如圖5所示。實際上,這種漂移結構在重複暴FRB 180814.J0422+73也被探測到了(CHIME/FRB Collaboration et al. 2019),這表明時間-頻率漂移結構極有可能是重複FRB的共同特徵,而目前非重複暴中,還沒有探測到這一現象的報導。細心地讀者會發現,所有的子脈衝漂移率均為負值,即消色散後的高頻子脈衝優先低頻到達接收機。如果這一現象來自星際等離子透鏡現象,那麽我們應該期待正漂移率的發現。筆者這裡認為,這種負漂移現象來自於脈衝星相乾電子束的曲率異塵餘生,是FRB源自身的幾何特徵,而非傳播效應所導致(Wang et al. 2019)。計算漂移速率發現,低頻波段的子脈衝漂移率遠低於高頻段,這與筆者所預期的結果相符。時間-頻率漂移特徵,是反應FRB源異塵餘生幾何特徵的重要工具。

另外,本次觀測發現FRB 121102的色散量DM相比之間的結果,增長了3 pc cm^-3。DM值的變化又將反應何種物理機制,也是值得討論的話題。

總結

FRB是一類神秘的天文現象。科學家們通過不懈的努力,首次完成了對非重複FRB的精確定位,並探測到了重複暴FRB 121102的低頻對應體。讓我們距離揭開FRB起源的神秘面紗,更近了一步。我國天文學者也在積極努力地對這一現象進行探索,如正在投入使用的FAST以及天籟項目。

如果有一天,我們擁有足夠多的FRB樣本,我們可用它來研究宇宙的物質密度,遙遠星系的物質分布,限制宇宙學以及基本物理參數等。相信這一日,在我們的不懈努力下,很快就會到來了!

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