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天文学最大的谜题之一:FRB!

2020.11.07





 隐藏在旧数据中的神秘信号 

2007年,在一个寒冷的日子里,就读于美国西弗吉尼亚大学物理和天文系的本科生David Narkevic正在检查旧数据,他希望能从澳大利亚帕克斯天文台在2001年的观测数据中,找到银河系的卫星星系——麦哲伦星云中的脉冲星的信号。

 
图片素材来源:ESA

在大量的数据中,Narkevic注意到了一个有趣的信号:一个似乎来自于银河系之外,且持续非常短暂的射电波爆发。他带着信号图,走进了他的导师Duncan Lorimer的办公室。Lorimer对此感到既困惑又兴奋,因为他意识到,Narkevic所发现的很可能是一个新的宇宙信号,但Lorimer完全不知道宇宙中的何种现象会释放出如此非同寻常的信号。

乍看之下,这个信号确实很像脉冲星。但它却异常明亮,所释放出的能量比最亮的脉冲星还要高出上亿倍。更令人惊讶的是,它起源于非常非常遥远的地方,至少约在30亿光年之外(作为对比,太阳系距离银河系中心仅为2.6万光年)。如果该射电暴真的来自那么遥远的地方,那么它肯定是在恐龙横行地球之前就已经被释放出来了。

同年的晚些时候,Lorimer发表了这一发现。然而在最初的几年,许多天体物理学家都对此持怀疑态度,他们认为这种信号很可能只是来自手机或微波炉的干扰,而不是什么真实的天体物理事件。但到了2013年,当另外四起相似事件被发现后,天文学家开始兴奋了。之后越来越多的证据表明,这些射电暴是一种真实的、急需被解释的全新射电信号。

由于这些射电暴信号只持续短短的几毫秒,因此它们也被称为快速射电暴,简称FRB。事实上,FRB并非什么罕见的事件,据最新的估计表明,每天大约有1000起FRB事件从各个方向抵达地球。然而,它们的稍纵即逝使得对它们进行探测和定位成了一件极具挑战的事。

 
2020年11月7日,天体物理学家、麦吉尔大学教授Victoria Kaspi作为腾讯WE大会的主讲嘉宾之一,为我们讲述神秘的快速射电暴。| 图片来源:腾讯科学WE大会

 数十亿光年之外 

一个有趣的问题是,天文学家是如何得知FRB是来自遥远的宇宙深处的?我们知道,星系和星系或恒星和恒星之间并不是空的,而是充满了气体和等离子体。当FRB穿过气体时,会产生色散现象。就好比白光照射进棱镜会被分为不同颜色的光一样,当射电波经过气体云时,也会发生一些变化:

 
地面望远镜看到的延迟效应越明显,就意味着在旅途中,射电波遇到的物质也越多。虽然从不同频率信号抵达望远镜的时间差可以预估其爆发源的距离,但往往误差较大,因为射电波在途中遇到的物质分布并非是均匀的。| 图片素材来源:星际云:ESO;望远镜:CSIRO

更确切的说,不同频率射电波的延迟程度是由色散量(DM)定义的:


DM越大,代表爆发源越远,比如Lorimer所发现的FRB的DM=375pc cm⁻³。已观测到的FRB的DM值区间在100到2600之间,典型值大约为300-400。

 
图片来源:腾讯科学WE大会

 定位! 

虽然FRB的色散量能够告诉我们爆发源的大致距离,但却无法精确地定位它的宿主星系。过去,天文学家看到的FRB都是一次性事件,但在2016年,他们确认发现了第一例重复射电暴FRB 121102。天文学家观测到了同一爆发源的多次爆发。2012年11月2日,位于波多黎各的阿雷西沃望远镜首次记录到了这一射电暴,之后便开启了天文学家对同一爆发源的长期观测。

重复FRB是精确定位其源头的关键。我们知道望远镜的分辨率——即它可以看到的细节水平——取决于观测到的光的波长和望远镜的大小。为了增强射电望远镜的分辨率,天文学家会应用甚长基线干涉测量技术将相隔遥远的射电望远镜连接在一起。通过让多台望远镜同时进行观测,天文学家等同于创造出了一台超大口径的射电望远镜。

2016年,基于干涉测量技术,天文学家使用位于美国新墨西哥州的央斯基甚大阵(包含了27台25米口径的天线)探测到了FRB 121102的多次爆发。根据收集到信号,天文学家最终定位了FRB 121102:来自于距离地球30亿光年之外的一个矮星系。如果不是有惊人的射电爆发,这个星系将只是万亿个星系中平平无奇的一员。进一步的观测表明,射电爆发似乎起源于宿主星系外围的一个恒星形成区域。

 
FRB121102。| 图片来源:Gemini Observatory/AURA/NRC/NSF/NRAO

近几年来,绿堤射电望远镜、澳大利亚平方千米阵探路者(ASKAP)加拿大氢气强度映射实验(CHIME)、中国天眼(FAST)、第2次瞬态天文射电发射调查(STARE2)等射电天文台均开始搜寻FRB。天文学家不仅发现了越来越多的FRB,也再次定位了几个FRB事件,例如非重复的FRB 180924、FRB 181112、FRB 190523都是来自数十亿光年之外的大质量星系,而重复的FRB 180916则来自旋涡星系。

目前在超过百例的FRB事件中,已确认发现的重复FRB有20多个。其中,CHIME团队发现,FRB 180916的爆发具有16.35天的周期性。在最新的一项研究中,天文学家认为FRB 121102具有157天的周期性。

 
CHIME是一台革命性的新型望远镜,与其他的射电望远镜完全不同,它由四个圆柱形反射镜组成,可以全天候监测整个北半球的天空,观测范围比传统射电望远镜大得多,在一年的时间里可以探测到数百个FRB。可以说,CHIME的投入开启了寻找FRB的全新时代。| 图片来源:CHIME Collaboration

目前,这一领域进入爆发式的发展,新的发现不断地在刷新我们对FRB的认知。但关于FRB还有许多问题萦绕,比如是否大部分或所有的FRB都是重复的?是否还存在其他类型的FRB?

 
图片来源:腾讯科学WE大会

 “嫌疑犯” 

但在所有的问题中,最令人着迷的依然是:是什么产生了FRB?为了抓到“嫌疑犯”,理论学家绞尽脑汁,提出来的模型数量曾一度超过了已观测到的FRB事件。

从光的有限速度和FRB的持续时间,天文学家可以大致限制爆发源天体的大小:≲光速×信号的持续时间。简单的计算会将“嫌疑犯”的目标锁定为宇宙中的致密天体,比如白矮星、中子星或恒星级黑洞,因此大多数的理论也与之相关。在众多理论模型中,有一些还涉及到了未被证实的假想物体,比如宇宙形成时遗留下的时空结构的一维拓扑缺陷——宇宙弦,又比如由数量大致相同的上、下、奇夸克组成的奇异星,以及由轴子聚集形成的轴子星(轴子是一种假想粒子,是暗物质的候选粒子)


 
图片来源:腾讯科学WE大会

 是磁陀星吗? 

2020年11月4日,在《自然》杂志上发表了三篇论文报道了一例银河系内的FRB的来源。2020年4月27日,格雷尔斯雨燕天文台和费米γ射线空间望远镜探测到了银河系内一个已知的磁陀星SGR 1935+2154的多次X射线和γ射线辐射爆发(磁陀星是一种高度磁化的年轻的中子星)。28日,CHIME和STARE2在同一片天空区域探测到了快速射电暴FRB 200428。此外,其他的空间望远镜和探测器也报道了在观测到FRB 200428的同时,探测到了来自SGR 1935+2154的X射线暴。

后续的一系列研究都表明FRB 200428是如此的特别,它是第一个在银河系内找到的快速射电暴,是第一个除了射电波之外还探测其他辐射的快速射电暴,也是第一个与磁陀星有关的快速射电暴。

那么磁陀星是如何产生FRB的呢?一个可能的机制如下:

 
注:新发射的电子和其他带电粒子与旧耀斑对撞的地点实际上距离磁陀星非常遥远。碰撞会产生向外移动的激波波前,从而产生巨大的磁场。| 图片素材来源:磁陀星:ESA/ATG Medialab;望远镜:CHIME Collaboration

在另一篇发表在《自然》的综述中,作者Bing Zhang总结道,最新的发现表明磁陀星至少可以产生部分,也许是全部的FRB。不过,他并没有排除其他爆发源的可能性。

尽管新的发现取得了重大的进展,但仍存在着一些未解的问题,比如非重复性的FRB是否是真实存在的?如果是,那么会是什么产生了它们?除了磁陀星之外,是否还有其他的机制可能产生重复FRB?未来,当越来越多的FRB被观测到的,一些问题也会变得越来越清晰。

 
图片来源:腾讯科学WE大会

自13年前FRB被发现以来,对FRB的探索就像是在谱写一本宇宙侦探小说,如今我们已经确认了一个重要的嫌疑犯。值得一提的是,在这趟探索之旅中,我们不仅对FRB有了更加深刻的理解,同时FRB也为我们研究宇宙带来了全新的方式。例如,FRB是探索宇宙中失踪物质的重要工具(详见:《寻找隐藏的½(5%)》。接下来,让我们期待更多的数据将带来的全新情节。

参考来源:
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2007Sci...318..777L/abstract
https://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev-astro-091918-104501
https://www.newscientist.com/article/dn12699-extragalactic-radio-burst-puzzles-astronomers/
https://www.sciencemag.org/news/2019/03/homespun-canadian-telescope-could-explain-mysterious-radio-signals-distant-universe
https://arxiv.org/pdf/1810.05836.pdf
http://frbcat.org
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2828-1
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2863-y
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2839-y
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2872-x
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来自:Daweb_YN  > 宇宙天文
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