“中國天眼”的新發現 終結天文界持續多年的一場爭論

 

圖片來源：quantamagazine.org

 

快速射電暴，廣袤宇宙中一種射電波瞬間暴發的現象，其持續時間極短，通常只有幾毫秒。它們往往“神龍見首不見尾”，出現一次，便再無蹤跡。

 

過去十幾年，天文學家一直在收集相關信息，只為探求真相：到底是誰發出了這種電波？如此快速閃現的射電波究竟包含了什麼信息？

 

10月29日和11月5日，利用500米口徑球面射電望遠鏡（FAST），科學家在國際科學期刊《自然》雜誌上分別發表了2篇關於快速射電暴的研究成果，這口被喻為“中國天眼”的大鍋，“看到”了這種毫秒電波起源的一些蛛絲馬跡。

 

幾毫秒釋放地球上幾百億年的發電量

 

2007年，天文學家在分析澳大利亞64米射電望遠鏡于2001年記錄的信號時，首次發現了這種毫秒電波。它表現為一個持續時間很短、非常明亮的射電脈衝輻射，科學家將這種毫秒閃現的電波形象地稱為快速射電暴。

 

可別小瞧這幾毫秒的閃現，雖然它存在的時間非常短，但能量特別高。在這幾毫秒的時間裏，它可以把地球上幾百億年的發電量，完全以射電波的形式釋放掉。

 

“我們認為，快速射電暴是由自然的天體物理過程産生的。根據探測的輻射特徵和觀測特性，我們覺得它應該來自磁星的磁層。”北京大學教授、中國科學院國家天文臺研究員李柯伽説。

 

磁星是宇宙中一類緻密天體，它的周圍有著特別強的磁場。

 

事實上，關於快速射電暴的來源，主流的理論假説可以分為兩派。一派認為它來自磁星的磁層；另一派則認為，某些緻密天體爆發會産生激波，快速射電暴便來源於激波相互作用驅動的輻射。

 

然而這些理論仍只是假設，快速射電暴的來源仍然是個謎團。為何它如此難以探尋根源？“快速射電暴幾毫秒間就消失了，非常難以捕獲。因此，這個問題幾乎是天文學中最難的問題之一。”中國科學院國家天文臺研究員韓金林説。

 

經過大約10年的探測，天文學家收集了大約150多個快速射電暴的爆發源，通過測量信號穿過星系際和銀河系介質的效應，可以斷定這些爆發源中的絕大多數不在銀河系內。

 

2017年，天文學家捕獲到一個毫秒射電暴發，它竟然在幾個小時內重復了幾次。天文學家利用全世界多臺大型射電望遠鏡聯合探測，並利用幾毫秒的記錄信號進行快速定位，終於將這個重復暴發的快速射電暴的爆發源定位到距離地球30億光年的一個星系內。

 

為兩大派系理論爭鋒一錘定音

 

過去，因為我國沒有大型射電望遠鏡，中國天文學家無法拿到第一手資料，所以在這個前沿領域的研究中，他們多是側重於理論研究。

 

FAST在探測快速射電暴方面具有無可比擬的優勢。“‘中國天眼’的接收面積非常大，超高的靈敏度使其能夠看到其他望遠鏡看不到的、比較弱的脈衝輻射。”李柯伽説。

 

2019年，天文學家利用FAST觀測了一個爆發源FRB 180301。2018年3月1日，澳大利亞首次探測到了這個爆發源，研究人員希望能夠確定這個爆發源是否會重復暴發。幸運的是，2019年7月16日，在2小時觀測中，研究團隊如願探測到了4次暴發。

 

但隨後在9月11日4個小時的觀測中，研究團隊竟然什麼信號也沒有探測到。經過研究，他們發現澳大利亞報告的爆發源位置有誤差，隨後調整了觀測策略，將望遠鏡對準位置調正，並記錄偏振信號。在2019年10月6日和7日，FAST在6個小時內探測到11次暴發。

 

統計下來，在共計12個小時的觀測時間裏，FAST探測到了15次暴發，每次電波閃現的強度曲線也各不相同。“這個爆發源與30億光年外的那個爆發源距離類似、射電暴發率類似，但強度上要弱很多。”韓金林説。

 

更重要的是，觀測發現，FRB 180301的偏振行為具有複雜的多樣性。

 

“現在，我們觀測了一個新的快速射電重復暴，通過對11次暴發電波的高靈敏度偏振信號解析，我們發現其每個脈衝的偏振特性都不一樣。FAST觀測到的偏振變化多樣性明確説明：宇宙中快速射電暴的爆發源可能來自緻密天體磁層中的物理過程。”韓金林説，這個觀測結果直接否定了一批國際學者關於快速射電暴來自粒子衝撞的理論，為近幾年兩大派系的理論爭鋒一錘定音。

 

“類似于地球，磁星也會形成磁層。我們這次的觀測是快速射電暴來源於磁層的一個最直接證據。”李柯伽説。

 

追蹤到磁星與快速射電暴之間的聯繫

 

2020年4月，北京師範大學的林琳博士提出了利用FAST觀測銀河系磁星SGR J1935+2154軟伽馬射線重復暴源（SGR）的申請。經批准後，研究人員使用FAST的L波段19波束接收機，對SGR J1935+2154進行了持續監測。在SGR J1935+2154的X射線和軟伽馬射線暴發活躍期、特別是29個軟伽馬射線暴對應的精確時間節點上未探測到任何射電脈衝輻射。

 

借助FAST超高的靈敏度，結合此前加拿大氫強度測繪實驗（CHIME）望遠鏡和暫現射電天文輻射巡天2（STARE-2）的探測，FAST實現了對8個數量級亮度空間的覆蓋，給出了這一銀河系內快速射電暴源迄今最嚴格的射電流量限制。

 

磁星是高度磁化的特殊緻密天體，4月28日，加拿大氫強度測繪實驗望遠鏡首次在銀河系內磁星SGR J1935+2154上探測到了明亮的毫秒級射電暴FRB 200428，追蹤到磁星與快速射電暴之間的聯繫。

 

本次FAST觀測結合了國際多波段設備，比如費米衛星伽馬暴監測器（Fermi-GBM）、光學BOOTES望遠鏡及慧眼衛星硬X線調製望遠鏡（Insight-HXMT）等。FAST的測量結果對研究快速射電暴的起源和物理機制，具有十分重要的意義。觀測結果表明，快速射電暴與軟伽馬射線重復暴發具有較弱的相關性。

 

“這有幾種可能的原因：一種是快速射電暴可能存在高度相對論性和特殊幾何位形的集束效應；另一種是快速射電暴光譜可能很窄且大部分遠離FAST觀測波段；此外也可能是與軟伽馬射線暴成協的快速射電暴比較特殊。”中國科學院國家天文臺王培博士説，未來需要對銀河系內更多快速射電暴進一步觀測，去判定哪種解釋更接近正確答案。

 

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　　磁星：宇宙中的磁場“怪物”

 

磁星是一種具有超強磁場的中子星，其表面磁場比目前人類實驗室能製造出來的最強磁場還強上億倍。科學家認為，當兩個相互繞轉的中子星併合後，會形成一個新的品質更大的緻密天體，如果這個新天體的品質超過中子星的品質上限，那麼天體內部物質的壓力將難以抗衡天體自身的引力，使得天體直接坍縮成為一個黑洞。但天文學家認為，在塌縮之前它很有可能會先形成一個更加有趣的天體——磁星。

 

1992年，天文學家羅伯特·鄧肯和克裏斯托佛·湯普森最先預言了這種神奇的天體，磁星理論也逐漸被人們所接受。但磁星較為罕見，目前天文學家並不確定為何它的磁場如此強大。一種觀點認為，如果一顆中子星的旋轉使其溫度和磁場能夠完美地結合在一起，那麼它會像發電機一樣將其磁場放大一千倍。