“天眼”立功：中國天文學家觀測到首例持續活躍快速射電暴

快速射電暴（Fast Radio Burst, FRB），是發生在宇宙中頗為神秘的射電爆發活動，其物理起源至今未知。自2007年科學家首次發現快速射電暴之后，這種天體物理現象成為近年來天文學領域的研究熱點。天文學家們試圖從這些來自宇宙深處的噼啪作響中，得到關于宇宙星系際介質的重要啟發。

北京時間6月8日23時，國際權威學術期刊《自然》(www.nature.com)刊發了中國國家天文臺李菂研究員團隊關于快速射電暴的又一重要觀測研究成果。團隊報告了一個新探測到的活躍快速射電暴FRB?20190520B，并發現其與一個致密的射電持續源相關，最終將其定位到了一個距離我們30億光年的矮星系。

6月9日，論文的第一撰稿人、國家天文臺博士后牛晨輝在接受澎湃新聞（www.thepaper.cn）記者采訪時表示,?FRB 20190520B與人類首個發現的重復快速射電暴FRB 20121102A有著一些相似特征，但其宿主星系環境顯示更為復雜。而且不同于其他快速射電暴只在窗口期內暴發，FRB 20190520B持續活躍。這一發現或對理解快速射電暴起源和分類帶來重要啟示。

2007年，美國天文學家鄧肯.洛里默（Lorimer）在分析澳大利亞帕克斯（Parkes）望遠鏡2001年的觀測數據時，首次發現了快速射電暴這一神秘的天文現象?？焖偕潆姳╇姶泡椛涿}沖的持續時間只有幾毫秒，卻能夠釋放出相當于太陽在一整年內釋放的能量。近年來，快速射電暴被天文學家用來研究星系際介質（星系與星系之間）中的物質,?例如重子的含量等。

“這次發現的首大亮點，是重復快速射電暴FRB?20190520B有著持續的活躍度?！迸３枯x向澎湃新聞介紹說。

2019年，李菂團隊利用位于中國貴州省境內的500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)——“中國天眼”,首次探測到了重復快速射電暴FRB20190520B，頻率為1.05-1.45 GHz。研究者在最初的觀測中發現了4次爆發，在2020年4月至2020年9月之間的每月跟蹤觀測中，累計18.5小時內觀測到75次爆發，這表明該射電暴持續保持著較高的活躍度。

牛晨輝稱，目前全球觀測到的快速射電暴有近500余例，其中重復快速射電暴只有24例，但其中活躍的重復暴不到10例。“即便是能夠重復觀測到的快速射電暴，大部分都有一個活躍的窗口期。例如此前首例發現的重復快速射電暴FRB 20121102A，我們可以在1小時內觀測到100多次爆發，但隨后就會衰減甚至觀察不到，而在對FRB?20190520B的觀測中，我們嘗試了不同的時間窗口，而每次都能觀測到其爆發?！?/p>

“這樣持續活躍的重復快速射電暴目前只有這一個。”牛晨輝說。

此次觀測研究的另一重要發現，是新觀測到的重復快速射電暴FRB 20190520B與一個致密的射電持續源相關聯，這是第二個被發現伴隨著致密射電持續源的快速射電暴。

作為CRAFTS項目的一部分，李菂團隊與卡爾G.揚斯基甚大陣列(VLA)合作,?通過使用“realfast”快速瞬態探測系統對重復快速射電暴FRB 20190520B定位,?并確定了其宿主星星系（J160204.31?111718.5）,?這是一個紅移為z?=?0.241±0.001的矮星系，相當于光度距離為1218?Mpc，消光修正后的Hα亮度LHα?= 7.4±0.2 × 1040 erg s?1，星系的成星速率約為0.41 M⊙yr?1。

據介紹，在FRB 20190520B之前，已有超過12個快速射電暴被定位，包括5個重復快速射電暴，但只有首個被發現的重復快速射射電暴FRB?20121102A與致密的射電持續源相關聯，FRB?20121102A同樣存在于一個類似的矮星系中。

牛晨輝告訴澎湃新聞，“FRB 20121102A是已知的第一個伴隨著致密的射電持續源(PRS)的重復快速射電暴。另一個重復快速射電暴FRB 20201124A也與射電持續源相關。然而，分辨率更高的觀測表明，其射電持續源的亮度與宿主星系中恒星形成區相一致，也即是說這個射電持續源是由恒星形成區產生。”相比之下,?與FRB 20190520B對應的射電持續源不是來自恒星形成區，因為它的光度意味著恒星形成速率約為10 M⊙yr-1，這相當于宿主星系實際測量到的恒星形成速率的25倍，也是同質量星系最高觀測到的恒星形成速率的5倍。因此，研究者認為其更有可能與一個致密的持續射電源相關聯。

而此次觀測研究最特別之處，是此前的研究認為，宿主星系對快速射電暴色散量(Dispersion Measurement, DM)的影響程度通常很小，但李菂研究員團隊經過計算發現，FRB20190520B宿主星系的色散量約為903?pc cm-3?，這比此前已知的FRB宿主星系的色散量平均值高出近一個數量級。

色散量是天體物理學中一個重要的測量值。據了解，隨著電磁輻射在充滿星際介質和星系際介質的空間里傳播，色散現象會使得射電輻射的不同頻率成分到達地球的時間不一樣。而測量到達時間隨頻率變化，就可以得到“色散量”。該測量量可以看成是從快速射電暴發出到地球一路上介質中電子密度對徑向距離的積分，包含了這個方向上很大一段宇宙尺度內的等離子體分布信息。

如果能得到一個快速射電暴的總DM值，則可以將該DM值分解成幾個部分：銀河系星際介質的DM，FRB宿主星系中的DM，以及星系之間中的DM。DM(宿主星系) = DM(快速射電暴)? DM(銀河系) —DM (星系間介質)。

牛晨輝對澎湃新聞說,“簡而言之，宿主星系的色散量，可以對應宿主星系環境中等離子體的濃度，從而反映該環境的性質和特征?！?/p>

研究者們通過計算得知，FRB 20190520B宿主星系的DM?約為?903?pc cm-3，而已知的首個重復快速射電暴FRB 20121102A的DM(宿主星系)的大小約為300 pc cm-3?，FRB 20190520B顯示的DM(宿主星系)幾乎是FRB 20121102A的3倍。對此，研究者們猜測，如果DM(宿主星系)相當大的一部分是來自于射電暴周圍介質，那么射電暴的形成可能與致密的射電持續源和變化的磁場有關，而FRB 20121102A和FRB 20190520B這類重復快速射電暴更像是處于演化早期的射電暴。

研究者總結到，“無論是重復的、還是非重復快速射電暴，都可能包含著不同的子類，這些子類要么處于不同的演化階段，要么產生于不同的物理機制。”

中國天文學家們對于快速射電暴的探索和研究還在繼續。牛晨輝對澎湃新聞表示，CRAFTS項目是李菂研究員負責的FAST優先重大項目,快速射電暴的搜尋工作是該項目的一個重要方向。國家天文臺朱煒瑋研究員負責的FAST另一優先重大項目“快速射電暴”項目為FRB 20190520B的后隨觀測提供了重要支撐。

“我們對FRB 20190520B開展了每周的常規監測,截止目前已經獲取了數百次爆發樣本,結合這些樣本我們將對其色散演化、能量分布、快速射電暴脈沖特征開展后續研究。”牛晨輝說。

論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-022-04755-5

關鍵詞： 天文學家