天文学家利用一个宇宙之谜探测另一个宇宙之谜，分析了一次快速射电爆发信号，这是持续不到一毫秒的宇宙无线电波的神秘爆炸，以表征一个巨大星系光晕中的弥散气体。一个巨大的低密度气体光晕远远超出了星系中恒星聚集的发光部分。尽管这种炎热的弥散气体比恒星更多地构成了星系质量，但几乎不可能看到。2018年11月天文学家探测到一个快速的无线电爆发，它在一个巨大星系向地球的途中穿过，这是第一次从一个难以捉摸的无线电信号中获得了光晕气体性质的线索。
加州大学圣克鲁兹分校(UC Santa Cruz)天文学和天体物理学教授J·泽维尔·普罗查斯卡(J.Xavier Prochaska)说：快速无线电爆发发出的信号，暴露了星系周围磁场的本质和光晕气体的结构。这项研究证明了一种探索星系晕本质的新变革性技术。普罗查斯卡是这项于2019年9月26日发表在《科学》(Science)期刊上一篇关于新发现论文的主要作者。天文学家仍然不知道是什么产生了快速的射电爆发，直到现在，才能够追踪到这些非常短，非常明亮无线电信号中的一些，追溯到它们起源的星系。
2018年11月的爆发(命名为FRB 181112)是由开创这项技术的仪器检测到并定位，该仪器是CSIRO的澳大利亚平方千米阵列探路器(ASKAP)射电望远镜。用其他望远镜进行的后续观测不仅确定了它的宿主星系，而且还发现了它前面的一个明亮星系。当覆盖无线电和光学图像时，可以立即看到，快速无线电爆发穿透了这个重合前景星系的光晕，并且，第一次有了一种直接的方式来研究这个星系周围这个原本不可见的物质。银河晕既包含暗物质，也包含普通物质(“重子”)，预计这些物质主要是热电离气体。
虽然一个巨大星系的发光部分可能直径约为3万光年，但球状光晕大约是它的十倍大（约30万光年）。光晕气体在落向星系中心时为恒星形成提供燃料，而其他过程(如超新星爆炸)可以将物质喷射出恒星形成区域并进入星系光晕。天文学家想要研究光晕气体的一个原因是为了更好地了解这些喷射过程，这可以关闭恒星的形成。光晕气体是这些喷射过程的化石记录，因此，观察可以提供关于物质如何喷射以及磁场如何穿过星系的理论。与预期相反，新研究结果表明，在这个中间星系的光晕中存在非常低的密度和微弱磁场。
这个星系的光晕令人惊讶地平静，无线电信号在很大程度上没有受到星系的干扰，这与之前的模型预测爆发情况形成了鲜明的对比。FRB 181112信号由几个脉冲组成，每个脉冲持续不到40微秒(比眨眼的时间短一万倍)。脉冲短持续时间对光晕气体的密度设置了上限，因为通过更密集的介质会延长无线电信号。研究人员计算出光晕气体的密度，必须小于每立方厘米一个原子的十分之一(相当于一个儿童气球大小的体积中的几百个原子)。澳大利亚科廷大学国际射电天文学研究中心的天文学家Jean-Pierre Macquart说：
就像炎热夏日里闪烁的空气一样，这个巨大星系中稀薄的大气应该会扭曲快速射电爆发信号。相反，收到的脉冲是如此的原始和尖锐，以至于根本没有这种气体的特征。密度限制也限制了光晕内湍流或冷气云的可能性(“冷”是一个相对术语，这里指的是温度在10000开尔文左右，而热晕气体在100万开尔文左右)。一个受欢迎的模型是，光晕被成团的气体云所弥漫，天文学家找不到这些云层的任何证据。FRB信号还产生关于光晕中磁场的信息，这影响无线电波的极化。
分析偏振作为频率的函数给出了光晕“旋转测量”，研究人员发现它非常低，光晕中的弱磁场比冰箱磁铁弱十亿倍。在这一点上，由于只有一个星系光晕的结果，研究人员无法说出这种出人意料的低密度和磁场强度是否是不寻常的，或者先前对星系光晕的研究是否高估了这些特性。ASKAP和其他射电望远镜将使用快速射电爆发来研究更多星系晕并解决它们的性质。这个星系可能是特别的，天文学家将需要使用FRBs来研究不同质量和年龄范围内的数十或数百个星系，以评估整个人口。
博科园｜研究/来自：加利福尼亚大学圣塔克鲁兹分校
参考期刊《科学》
DOI: 10.1126/science.aay0073
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