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16天一“閃”的它暗藏了多少信息?

http://finance.sina.com   2020年06月30日 20:02   北京新浪網

圖片來源:pixabay圖片來源:pixabay

  來源:賽先生  

  快速射電暴是宇宙中一種非常劇烈的射電閃光現象。隨着探測手段的提升以及大型射電裝置的投入使用,人們不斷地探索着快速射電暴蘊含的豐富的天體物理信息。近日,《自然》期刊發表了一篇關於週期性重複快速射電暴的報道,其約爲16天的週期特徵將爲我們揭示快速射電暴的起源邁進巨大的一步。本文基於張冰教授在《自然》發表的評論文章整理而成。 

  快速射電暴(Fast Radio Bursts, FRB)是一種神祕的來自銀河系外的射電天文現象。爆發的持續時間僅爲幾個毫秒,卻可在這極短的時間內顯示出極高的亮度。根據估計,FRB在幾個毫秒釋放的能量,相當於太陽燃燒一天的能量總和。

  2007年,Lorimer團隊從澳大利亞Parkes望遠鏡歷史的存檔數據中找到了人類歷史上第一個被觀測到的FRB事件:FRB 010724。隨後,Keane、Thornton等團隊陸續發現了其他類似的事件,這標誌着FRB的研究正式成爲時域天文學的一個重要新方向。

  每個FRB發射出的電磁波在宇宙中傳播時,通常都會受到星際介質的影響,高頻電磁信號總是比低頻信號更早到達接收機,這一現象稱爲電磁波的色散。色散量的大小由介質的等離子體密度和傳播的路徑決定。自第一例FRB發現以來,不論是觀測的色散量超出銀河系預期的色散量貢獻,還是精確到宿主星系的定位,都表明FRB是一些來自銀河系外的輻射過程,其起源一直是天文界的熱點話題。

  起先,人們認爲FRB起源於一些極端的災難性事件,如雙緻密天體併合、超新星爆發等。2016年,第一例重複暴事件FRB 121102的發現引起了天文學界的熱議。重複暴是指能夠在同一個位置產生兩次以上FRB事件的源。重複暴的發現使人們意識到FRB絕對不是簡單的災難性事件所能解釋的。重複暴的研究尤爲重要,它們可以在天空的同一個地方重複地產生。由於FRB持續的時間極短,科學家很難對其進行精確定的空間定位。但重複暴的發生在不斷地爲我們提供機會,一次不行兩次,兩次不行多試幾次,總是能確定暴發源的位置。

  2017年,科學家們實現了對重複暴FRB 121102的精確定位,並找到了其距離我們30億光年左右的宿主星系。距離這個FRB源120個光年以內的距離,存在一個未知的射電持續源。隨着技術手段的不斷提升,目前已有9個FRB定位到其宿主星系,暗示着FRB宇宙學的時代或將到來。2018年,在FRB 121102的偏振測量中,科學家發現這個FRB源可能處於一個極高的磁場環境中,這是目前其他FRB源所不具有的特徵。儘管人們在重複暴宿主星系以及磁場環境的研究上做了許多努力,FRB的起源依然成謎。

  2019年,多個新的重複暴源被發現,天文學者們自此確信重複暴不再是某種個例。迄今爲止,已經有超過100個FRB源被發現,而其中有20多個源可以重複地產生爆發。絕大多數重複暴中可以發現一些奇怪的子脈衝結構,這些子脈衝具有不同的中心頻率,並在不同時刻抵達探測器,這種現象稱爲時間-頻率漂移。2020年4月份,這一現象在一個銀河系內的磁星射電暴發中被發現,暗示着磁星或許與FRB之間有着千絲萬縷的聯繫。

  不過。不論磁星也好、中子星也罷,它們都是宇宙中高速旋轉的強磁場緻密天體。理論上這類天體是產生FRB的絕佳場所,特別是脈衝星這種高速旋轉的中子星,其射電輻射束總是週期性地掃過地球視線方向。人們自然聯想到,旋轉的中子星或者磁星作爲FRB的起源,極有可能存在某種週期性特徵。

  近日,加拿大氫強度測繪實驗(CHIME,圖1)發佈了FRB 180916.J0158 + 65存在大約16天爲重複週期的觀測結果,這爲人類揭示FRB的起源邁出了巨大的一步!

  FRB 180916.J0158 + 65是CHIME發現的最早的重複暴之一。它也是迄今爲止發現的距離我們最近的FRB(紅移爲0.034,距離我們4.8億光年),其宿主星系是一個旋渦星系。

  該星系擁有較高的恆星形成率,這與另一個重複暴FRB 121102的宿主星系類似,卻不同於其他一些非重複的低恆星形成率宿主星系,這或許說明在FRB王國中的確存在着重複暴和非重複暴兩類成員。

圖1:CHIME望遠鏡臺址。這些與傳統意義上的望遠鏡截然不同的“鐵架子”其實是CHIME的天線,圖片來源:http://chime.phas.ubc.ca圖1:CHIME望遠鏡臺址。這些與傳統意義上的望遠鏡截然不同的“鐵架子”其實是CHIME的天線,圖片來源:http://chime.phas.ubc.ca

  CHIME望遠鏡位於加拿大西南部,由4個100米長的柱形天線組成,觀測頻段爲400-800 MHz。CHIME望遠鏡擁有極大的視場,平均每天可探測到1-10個FRB事件,是捕捉FRB的超級能手。由於FRB 180916.J0158 + 65經常落入CHIME望遠鏡的視野,因此每天都會對其進行長時間的自動監控。自2018年9月16日到2020年2月4日以來,共觀測到它的38次爆發。此外歐洲超長基線干涉測量網絡(EVN)以及德國的Effelsberg望遠鏡也參與其中,EVN此次也探測到若干爆發,而Effelsberg給出探測的流量上限約爲太陽輻射的千萬分之一。令人驚訝的是,這些都爆發呈現了16.35天的週期特徵。每個時段的活動窗口約爲5天,該窗口中的大多數暴發事件都集中在大約0.6天的時間中(圖2)。

圖2:FRB 180916.J0158 + 65的週期特徵。灰色爲5天的射電活動窗口,三角形表示不同望遠鏡觀測到的FRB信號,圖片來源:引自The CHIME/FRB Collaboration et al。 2020
圖2:FRB 180916.J0158 + 65的週期特徵。灰色爲5天的射電活動窗口,三角形表示不同望遠鏡觀測到的FRB信號,圖片來源:引自The CHIME/FRB Collaboration et al。 2020

  在如此長時間尺度的天體物理現象中尋找週期並不是件容易的事,尤其是隻有幾十個觀測樣本。這需要仔細分析觀測數據來尋找活躍的時間窗口,而這一任務通常會因假定的規則爆發週期未知而變得非常複雜。另外,具有寬功率譜的隨機過程,即紅噪聲,其功率密度平滑地增加到低頻。紅噪聲對週期的尋找也是一個棘手的難題。如果忽略紅噪聲的影響,隨機的變化也可能產生看似週期間隔的行爲,如先前對某些類星體的觀測(圖3)。

圖3:類星體PG 1302−102的光變曲線,圖片來源:引自Vaughan et al。 2016圖3:類星體PG 1302−102的光變曲線,圖片來源:引自Vaughan et al。 2016

  對於週期特徵的解釋,一種說法認爲FRB起源於軌道週期爲16天的中子星雙星系統[13,14]。當中子星與其大質量伴星靠的比較近時,雙星系統進入活躍狀態。根據軌道週期計算,這需要雙星之間的距離大約爲四分之一個天文單位(日地距離,約1.5億公里),然而在這個距離下中子星與伴星的相互作用很難達到產生FRB的要求。我們考慮FRB輻射來自於中子星自身的活動,伴星強大的星風會遮擋來自中子星的射電輻射,如果中子星也存在強力的星風,那麼它將掃開周圍的恆星星風物質,打開一個射電窗口,使FRB有機會掃過地球。這個窗口以16天爲間隔,週期性地掃過我們的視線(圖4a)。

圖4:週期性FRB的兩種圖像,圖片來源:引自Zhang 2020。(a)中子星雙星系統;中子星(Neutron star)的星風將掃開大質量伴星星風的拋射物質,形成一個射電透明的觀測窗口,使FRB得以逃脫。隨着雙星系統的運動,這個射電窗口掃過地球視線的週期即爲雙星系統的軌道週期。(b)中子星的進動;中子星的射電輻射束非常窄。當具有一定橢率的中子星自由進動或者受外界影響受迫進動時,其輻射束以進動週期等間隔性地掃過地球視線方向。圖4:週期性FRB的兩種圖像,圖片來源:引自Zhang 2020。(a)中子星雙星系統;中子星(Neutron star)的星風將掃開大質量伴星星風的拋射物質,形成一個射電透明的觀測窗口,使FRB得以逃脫。隨着雙星系統的運動,這個射電窗口掃過地球視線的週期即爲雙星系統的軌道週期。(b)中子星的進動;中子星的射電輻射束非常窄。當具有一定橢率的中子星自由進動或者受外界影響受迫進動時,其輻射束以進動週期等間隔性地掃過地球視線方向。

  中子星的進動週期是另一種可能的解釋。“週期性”一詞對於中子星而言,往往自然讓人聯想到自轉週期,然而實際上中子星具有極高的自轉速度(週期大小爲1毫秒到1秒),16天的長度似乎不太能解釋爲中子星的自轉週期。由於中子星自身存在一定的橢率,高速旋轉的中子星可產生週期爲幾十天的自由進動。又或者在伴星的引力作用下,中子星同樣可產生類似週期大小的受迫進動。這裏在幾何上要求FRB產生於中子星的磁層,極端相對論電子使大部分輻射流量被集束在一個很窄的光錐內。這些射電束就像陀螺儀一樣,隨着中子星的進動,週期性地進入地球的視野(圖4b)。

  總之,FRB週期的探測,可謂是一項艱鉅而精細的工程,它對於揭示FRB的起源有着重大意義。同時,FRB的週期活躍性也爲後續跟蹤觀測提供指導。當然,是否存在比16天更短的公約數週期問題依然值得探索。我們不禁思考,週期性特徵究竟是不是所有重複暴共同具有的屬性。非重複暴本身是一些重複率極低的事件,還是本徵的一次性事件。這需要我們在未來使用大型觀測設備投入更多的時間跟精力進行探索。相信揭祕FRB真相的這一天已經不遠了。

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