30億光年外“靈光”乍現(xiàn)，中國“天眼”有望洞見宇宙之謎

快速射電暴（FRB）是宇宙中最明亮的射電爆發(fā)現(xiàn)象，在1毫秒的時(shí)間內(nèi)能釋放出太陽大約一整年才能輻射出的能量。不過對于這種現(xiàn)象的物理起源、輻射機(jī)制和周圍環(huán)境等，至今尚不明晰，因此被稱為“宇宙之謎”。

6月9日，來自中國“天眼”（FAST）的一項(xiàng)關(guān)于快速射電暴的研究成果登上國際學(xué)術(shù)期刊《自然》。該發(fā)現(xiàn)由中國科學(xué)院國家天文臺李菂研究員領(lǐng)導(dǎo)的國際團(tuán)隊(duì)，通過FAST“多科學(xué)目標(biāo)同時(shí)巡天（CRAFTS）”優(yōu)先重大項(xiàng)目完成。這是迄今為止，人類發(fā)現(xiàn)的唯一一例持續(xù)活躍的重復(fù)快速射電暴。

遙遠(yuǎn)矮星系發(fā)出的強(qiáng)大射電波

這一最新發(fā)現(xiàn)的快速射電暴命名為FRB 20190520B，中國科學(xué)家還首次利用“天眼”（FAST）即500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，對其進(jìn)行了精準(zhǔn)定位——位于一個(gè)距離地球30億光年的矮星系。

中國大型望遠(yuǎn)鏡探測到從遙遠(yuǎn)矮星系發(fā)出的強(qiáng)大射電波爆發(fā)，將推動(dòng)科學(xué)家更好地理解快速射電暴這一宇宙神秘現(xiàn)象。這種現(xiàn)象涉及源自銀河系和其他星系內(nèi)部的射頻電磁輻射脈沖，射電波在電磁波譜中具有最長的波長。

“我們?nèi)匀粚⒖焖偕潆姳┓Q為‘宇宙之謎’，這是理所當(dāng)然的?？茖W(xué)家已經(jīng)提出很多假設(shè)試圖解釋這種現(xiàn)象。”這項(xiàng)最新研究的共同通訊作者、FAST首席科學(xué)家李菂表示。

2007年，美國天文學(xué)家鄧肯·洛里默首次發(fā)現(xiàn)了快速射電暴現(xiàn)象的存在。天文學(xué)家普遍認(rèn)為快速射電暴（FRB）與致密天體，特別是具有強(qiáng)磁場的致密天體爆發(fā)活動(dòng)等有關(guān)。

洛里默對這項(xiàng)最新的研究評價(jià)稱：“基于FRB 20190520B這些特征及其持續(xù)射電源的存在，我認(rèn)為快速射電暴可能有不同的分類。隨著快速射電暴樣本的持續(xù)增長，預(yù)計(jì)未來幾年內(nèi)，我們能夠揭開快速射電暴的神秘面紗。”

天文學(xué)家懷疑這些爆發(fā)可能是由某些極端物體釋放的。這些物體可能包括中子星；大質(zhì)量恒星在生命周期結(jié)束時(shí)致密坍縮的核心爆炸成為超新星；一種具有超強(qiáng)磁場的中子星，或者是一個(gè)黑洞正在吞噬一顆鄰近的恒星。

李菂表示，對于快速射電暴的不同解釋模型，反映了科學(xué)家對這種現(xiàn)象仍然缺乏了解。而新的發(fā)現(xiàn)也將有助于科學(xué)家進(jìn)一步確定這些射電暴發(fā)生背后的原因。

觀測發(fā)現(xiàn)，快速射電暴中很小部分會(huì)重復(fù)爆發(fā)。在重復(fù)爆發(fā)的活躍期，天文學(xué)家可以有準(zhǔn)備地實(shí)施定位和監(jiān)測，從而解決快速射電暴的起源與演化等科學(xué)問題。

目前，全球已公布了近500例快速射電暴，僅不到10例在其窗口期內(nèi)頻繁爆發(fā)；而此前并未發(fā)現(xiàn)存在持續(xù)活躍的重復(fù)快速射電暴。此外，天文望遠(yuǎn)鏡探測的多數(shù)快速射電暴圖像分辨率較差，從而很難精確定位爆發(fā)位置。

2016年，天文學(xué)家曾發(fā)現(xiàn)首例重復(fù)快速射電暴FRB 20121102A，這也是首個(gè)被精確定位的快速射電暴，與此次新發(fā)現(xiàn)的FRB 20190520B非常相似。但FRB 20190520B是目前發(fā)現(xiàn)的唯一一例持續(xù)活躍重復(fù)爆發(fā)的快速射電暴，爆發(fā)次數(shù)已經(jīng)達(dá)到幾百次。

“上述發(fā)現(xiàn)揭示了活躍重復(fù)暴周邊的復(fù)雜環(huán)境有類似超亮超新星爆炸的特征，挑戰(zhàn)了對快速射電暴色散分析的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，為構(gòu)建快速射電暴的演化模型、理解這一劇烈的宇宙神秘現(xiàn)象打下了基礎(chǔ)。”李菂表示。

上海天文臺助力精確定位

李菂還表示，F(xiàn)AST的觀測工作更傾向于從持續(xù)重復(fù)活躍的射電暴中發(fā)現(xiàn)“新生”事件的線索，例如從超新星等極端爆炸事件中誕生的射電暴。“這些重復(fù)活躍的射電暴非常年輕，剛剛誕生不久，否則我們將無法觀測到它們。”李菂說道。

加州理工學(xué)院的天文學(xué)家和研究合著者凱西·勞（Casey Law）表示：“快速射電暴是強(qiáng)烈的、短暫的射電光閃光，可以在整個(gè)宇宙中被看到。但爆發(fā)在大約僅一毫秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于眨眼的工夫。一些快速射電暴的來源可能像是活躍的多次爆發(fā)，但另一些來源只被發(fā)現(xiàn)爆發(fā)過一次。”

據(jù)介紹，論文第一作者、國家天文臺青年學(xué)者牛晨輝在系統(tǒng)處理FAST數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，2019年5月20日的數(shù)據(jù)存在重復(fù)的高色散脈沖。之后，團(tuán)隊(duì)通過組織多臺國際設(shè)備天地協(xié)同觀測，綜合射電干涉陣列、光學(xué)、紅外望遠(yuǎn)鏡以及空間高能天文臺的數(shù)據(jù)，將FRB 20190520B定位于一個(gè)距離地球30億光年的矮星系。

科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，該快速射電暴定位矮星系的近源區(qū)域擁有目前已知的最大電子密度，并發(fā)現(xiàn)了迄今第二個(gè)快速射電暴持續(xù)射電源對應(yīng)體。

上海天文臺在快速射電暴的定位方面作出了貢獻(xiàn)。基于該原始發(fā)現(xiàn)以及后續(xù)多次FAST觀測得到的角分級定位，上海天文臺余文飛研究員領(lǐng)導(dǎo)的觀測課題組聯(lián)合國家天文臺李菂團(tuán)隊(duì)，于2020年5月和7月先后通過美歐雨燕天文衛(wèi)星（Swift）與FAST空地同時(shí)觀測以及美國甚大陣射電望遠(yuǎn)鏡（VLA）機(jī)遇性觀測，搜尋持續(xù)和短時(shí)標(biāo)多波段對應(yīng)體，嘗試對FRB 20190520B實(shí)施百倍以上的精確定位。

“FRB 20190520B是FAST至今發(fā)現(xiàn)的大約6例快速射電暴中第一個(gè)被精確定位的快速射電暴。”余文飛表示，“通過與國家天文臺團(tuán)隊(duì)合作，結(jié)合我國FAST的高靈敏度和美國甚大陣列的定位優(yōu)勢，我們實(shí)現(xiàn)了針對FRB20190520B由FAST發(fā)現(xiàn)到美國甚大陣射電望遠(yuǎn)鏡的精確定位。”

FAST是世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，其信號接收面積相當(dāng)于30個(gè)足球場，該望遠(yuǎn)鏡的主要工作是捕獲天體，尤其是脈沖星發(fā)出的無線電信號。自2019年起，F(xiàn)AST首次用于觀測快速射電暴。

FAST“多科學(xué)目標(biāo)同時(shí)巡天（CRAFTS）”優(yōu)先重大項(xiàng)目迄今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)至少6例新FRB，正在為揭示宇宙中這一神秘現(xiàn)象的機(jī)制、推進(jìn)天文學(xué)這一全新領(lǐng)域的研究做出獨(dú)特的貢獻(xiàn)。

“FAST能夠敏感地探測到射電暴，但是現(xiàn)在科學(xué)家們還沒有解釋這個(gè)強(qiáng)烈爆發(fā)的射電來源到底是什么？比如是否與超新星爆發(fā)有關(guān)，因?yàn)橹凶有谴嬖谟诔滦潜l(fā)后的環(huán)境里，這都是未來需要進(jìn)一步探索的。”一位天文物理專家對第一財(cái)經(jīng)記者表示。

上述專家解釋稱，此前，科學(xué)家們假設(shè)快速射電暴是由超新星爆發(fā)之后留下的致密殘余物引起的，最新發(fā)現(xiàn)的這個(gè)快速射電暴位于致密環(huán)境中?？茖W(xué)家推測可能是由超新星釋放的物質(zhì)引起的，并導(dǎo)致了中子星的產(chǎn)生。但隨著時(shí)間的推移射線暴會(huì)逐漸分散直至消失。

1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者約瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）教授曾對第一財(cái)經(jīng)記者表示：“FAST早在調(diào)試階段就發(fā)現(xiàn)了100個(gè)脈沖星和多起磁暴現(xiàn)象令人驚嘆。”他認(rèn)為，為了能夠獲得最大程度的數(shù)據(jù)，應(yīng)該珍惜射電望遠(yuǎn)鏡的工作時(shí)間，提升射電望遠(yuǎn)鏡的效率。

歐洲南方天文臺（ESO）榮譽(yù)天文學(xué)家迪特里希·巴德（Dietrich Baade）教授也對第一財(cái)經(jīng)記者表示：“我們很高興看到FAST正在向全球的天文學(xué)家開放，這將有助于推動(dòng)全球天文學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，包括對外星生命的探索。”

標(biāo)簽： FAST 自然雜志