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中国慧眼证实,快速射电暴起源于磁星

时间:
2021年02月22日 |
作者:
李承奎 |
来源:
科学大院

你从哪里来? 人们在面对宇宙神秘信号时常常有这样的疑问。比如拥有超高能量的“快速射电暴”,到底是谁发出的?

近日,《自然·天文学》发表了我国的慧眼天文卫星在快速射电暴和磁星爆发观测研究方面的重大突破:发现神秘的快速射电暴起源于磁星的剧烈爆发。

慧眼“看到了”什么

慧眼卫星于2020年4月28日观测到银河系内的磁星(编号SGR J1935+2154)的一次X射线暴发,其与地球上射电望远镜CHIME(位于加拿大)和STARE2(位于美国)观测到的快速射电暴(编号FRB200428)在时间和方位上均高度吻合,从而确认此次快速射电暴产生于这颗磁星的爆发过程。这些天文望远镜的联合观测结果破解了困扰天文学家十几年的快速射电暴起源之谜。

图片来源:中科院高能物理研究所

编号为FRB200428的快速射电暴是人类探测到的第一个起源于银河系的快速射电暴,也是第一个观测到对应X射线暴的快速射电暴。慧眼卫星精确定位了这个X射线暴的起源天体,即银河系内的一颗磁星(编号SGR J1935+2154),并且详细测量了X射线暴的光变和能谱等性质,对于确定快速射电暴的起源和研究磁星的爆发机制均发挥了至关重要的作用。

十几年的难题

快速射电暴(Fast Radio Burst,FRB)来自遥远的宇宙深处,是一种在射电波段观测到的暴发现象,通常只持续几毫秒。

首例快速射电暴事件是2007年由Duncan Lorimer等人在分析存档的脉冲星巡天数据时发现的。这个快速射电暴被探测到的日期为2001年7月24日,因此被命名为FRB010724。刚发现快速射电暴的时候,因为其持续时间非常短而且在全天随机出现,难以观测和研究,所以天文学家专门建设了具有很大视场面积的射电望远镜,来捕获这种短时的爆发现象,代表之一就是加拿大的CHIME望远镜。

近些年来,由于仪器设备升级和搜索算法的更新换代,天文学家捕获到了越来越多的快速射电暴信号,还发现了多个重复的快速射电暴,并锁定了它们来源的星系,称为宿主星系。

虽然观测到的快速射电暴越来越多,但是天文学家对快速射电暴的了解仍然处在盲人摸象的阶段,对其形成原理更是知之甚少。

由于在地面观测射电信号有很多困扰因素,比如无处不在的无线广播信号、手机通讯信号等干扰源。其实在快速射电暴的观测历史上,就曾经将微波炉磁控管信号的泄露,错误地认为是来自天体的快速射电暴,成为天文界的趣事。

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射电望远镜Parkes捕获的微波炉开门产生的信号

(Petroff et al. 2015)

从2007年发现第一个快速射电暴起,寻找快速射电暴的起源天体这一难题困扰了天文学家十几年。理论物理学家为快速射电暴提出了很多种起源假说,例如超新星爆发、双中子星并合、黑洞吸积、磁星星震,亦或小行星撞击中子星等等。但是这些假说都没有得到观测的佐证。

慧眼揭开FRB起源之谜

对于如何揭开快速射电暴的真相,天文学家有两点共识:首先是确定快速射电暴的定位,也就是找到快速射电暴发生的起源天体,其次是观测快速射电暴在其他波段的辐射,比如X射线波段。

人类在地面上接收来自宇宙的电磁波时,透过大气层也只能接收到可见光(与少量近红外光)与射电信号。要想接收天体源发射的其他波段的电磁波,就必须在大气层之外,通过天文卫星进行观测。

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(图片来源:维基百科)

慧眼卫星就是为了观测天体在X射线波段的辐射信号而被送入太空的天文卫星,于2017年6月15日发射,2018年1月30日成功在轨交付。

在这次的观测中,在CHIME的低频波段接收到FRB200428射电信号的8.6秒前,慧眼卫星探测到了来自具有宇宙最强磁场的一类中子星-磁星SGR J1935+2154方向的一次X射线暴发。在电磁波段上,射电波容易受星系介质的影响,在宇宙中的穿行速度比X射线慢,而X射线暴发和FRB200428射电暴的信号接收时间相差约8.6秒,正好符合射电波由色散导致的时间延迟。这说明X射线暴发和快速射电暴很可能源于同一次天体爆发事件。

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慧眼观测到的X射线暴中的两个脉冲与CHIME观测到的FRB的两个射电脉冲信号时间高度吻合(Li et al. 2021, Andersen et al. 2020)

接收到X射线信号后,慧眼卫星以远远高于射电望远镜的精度定位了X射线暴,发现与磁星SGR J1935+2154的位置一致。并且在X射线暴的数据中,发现了两个X射线脉冲与快速射电暴的两个脉冲在时间上高度吻合。与其他高能卫星相比,慧眼卫星对FRB200428对应的X射线暴的观测提供了最为丰富、精细和准确的时变和能谱信息,就此确定了快速射电暴FRB200428来源于磁星SGR J1935+2154,解开了这类快速射电暴的起源之谜。 

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慧眼卫星对X射线暴的定位(Li et al. 2021)

SGR J1935+2154是已知最活跃的磁星之一。虽然磁星的X射线暴发现象比较常见,但是在以往的爆发中,并没有观测到对应的快速射电暴。慧眼观测到的这次X射线暴发,与以往的磁星爆发相比有显著差异:以往的磁星爆发,能谱都可以用黑体模型很好地描述,而这次爆发表现出了明显不同的辐射性质,其能谱不符合黑体模型,只可以用非热幂律谱拟合。这表明与FRB200428关联的这次X射线暴发,具有一定的特殊性,有助于深入理解快速射电暴和磁星爆发的物理机制。

虽然FRB200428的观测让我们了解到,快速射电暴的一类起源是磁星的爆发,但是其他的快速射电暴还没有那么幸运地被观测到其他波段的对应辐射。因此,我们对快速射电暴的了解还刚刚开始。相信天文学家会通过不断的观测和研究,揭开更多类型的快速射电暴的神秘面纱。

作者单位:中国科学院高能物理研究所



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