中國(guó)天眼FAST重大發(fā)現(xiàn)為快速射電暴起源研究提供關(guān)鍵觀測(cè)證據(jù)

新浪科技訊 北京時(shí)間3月18日消息，《科學(xué)》雜志發(fā)表題為“Frequency Dependent Polarization of Repeating Fast Radio Bursts - Implications for Their Origin”的研究論文，指出重復(fù)快速射電暴（Fast Radio Burst， FRB）處在類似超新星遺跡的復(fù)雜環(huán)境中。

該論文創(chuàng)新性地利用偏振頻率演化關(guān)系研究快速射電暴周邊環(huán)境，首次提出了能夠解釋重復(fù)快速射電暴偏振頻率演化的統(tǒng)一機(jī)制，為區(qū)分重復(fù)快速射電暴起源的眾多理論模型提供了關(guān)鍵觀測(cè)證據(jù)。之江實(shí)驗(yàn)室智能計(jì)算平臺(tái)研究中心研究專家馮毅為該論文的唯一第一作者。之江實(shí)驗(yàn)室計(jì)算天文首席科學(xué)家李菂研究員為該論文的唯一通訊作者。

快速射電暴，一種遙遠(yuǎn)宇宙中的無(wú)線電波大爆發(fā)，持續(xù)時(shí)間只有幾毫秒，卻能夠釋放出相當(dāng)于太陽(yáng)在一整天內(nèi)釋放的能量。自2007年射電天文學(xué)家Duncan Lorimer教授和他的團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)快速射電暴之后，這種新的天體物理現(xiàn)象成為天文學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。觀測(cè)上發(fā)現(xiàn)，一些快速射電暴會(huì)重復(fù)爆發(fā)。

對(duì)于這個(gè)宇宙深處“神秘信號(hào)”的起源，科學(xué)家們有很多理論推測(cè)——磁星巨耀發(fā)、脈沖星的巨脈沖、中子星穿越小行星帶、雙黑洞并合……這些會(huì)產(chǎn)生巨大能量的天體活動(dòng)都被認(rèn)為是快速射電暴的可能起源。△快速射電暴起源推測(cè) 來(lái)源：Jason Hessels

△快速射電暴起源推測(cè) 來(lái)源：Jason Hessels

尋找來(lái)自宇宙深處的快速射電暴源頭非常困難。“基于現(xiàn)有的天文設(shè)備條件，很難直接觀測(cè)到銀河系之外的起源細(xì)節(jié)。”馮毅說(shuō)道。

“絕大多數(shù)快速射電暴只在射電波段有信號(hào)，缺乏多波段的觀測(cè)提供額外信息。過(guò)去是守株待兔地努力確認(rèn)對(duì)應(yīng)體，然而由于距離太過(guò)遙遠(yuǎn)，即使探測(cè)到爆發(fā)，也難以確定快速射電暴的基礎(chǔ)物理機(jī)制。”馮毅進(jìn)一步解釋道。

“快速射電暴信號(hào)在傳播過(guò)程中，偏振特征會(huì)受到周邊星際介質(zhì)的影響，我們能夠通過(guò)分析快速射電暴的偏振等特征限制它的輻射機(jī)制，也能夠推測(cè)它所穿過(guò)的介質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和電子數(shù)密度等信息。”李菂指出。

利用射電望遠(yuǎn)鏡“中國(guó)天眼”FAST和美國(guó)GBT對(duì)一組重復(fù)快速射電暴脈沖的偏振特征進(jìn)行系統(tǒng)分析后，馮毅等研究人員發(fā)現(xiàn)，樣本集中的重復(fù)快速射電暴都呈現(xiàn)出低頻線偏振度低，高頻線偏振度高的特征。這種特殊的頻率演化關(guān)系說(shuō)明，樣本集中的快速射電暴暴源所處的環(huán)境都很復(fù)雜，具有很強(qiáng)的磁場(chǎng)和很高的電子數(shù)密度，和超新星遺跡、脈沖星風(fēng)云的環(huán)境特征相吻合。也就是說(shuō)，這些快速射電暴極有可能處在超新星遺跡、脈沖星風(fēng)云等環(huán)境中。

△重復(fù)快速射電暴偏振頻率演化關(guān)系。不同顏色的線代表不同的快速射電暴的偏振隨頻率演化關(guān)系曲線，每條線僅用一個(gè)參數(shù)σRM擬合。σRM越大代表快速射電暴所處的環(huán)境越復(fù)雜。

如圖所示，重復(fù)暴的線偏振度存在隨頻率降低而降低的統(tǒng)一趨勢(shì)，并且這種頻率演化關(guān)系可以通過(guò)單一參數(shù)“RM彌散（σRM）”量化描述，這排除了通道內(nèi)混淆（intra-channel depolarization）、基于輻射區(qū)磁層高度變化的脈沖星偏振內(nèi)稟頻率演化（intrinsic frequency evolution）模型等其他解釋。基于此，李菂團(tuán)隊(duì)與云南大學(xué)楊元培教授、普林斯頓魯文賓博士、內(nèi)華達(dá)大學(xué)張冰教授等人合作構(gòu)建了基于多路徑散射的介質(zhì)模型，可以進(jìn)一步約束輻射區(qū)的空間尺度、密度漲落、磁場(chǎng)構(gòu)型等重要物理性質(zhì)。

李菂表示，這項(xiàng)工作充分結(jié)合了FAST的靈敏度高優(yōu)勢(shì)和快速射電暴這一國(guó)際熱點(diǎn)前沿的豐富觀測(cè)資源，為構(gòu)建完整的快速射電暴起源模型提供了重要的觀測(cè)基礎(chǔ)。FAST的持續(xù)深度監(jiān)測(cè)結(jié)合其他先進(jìn)設(shè)備，有望在未來(lái)2-3年回答關(guān)于FRB起源的一系列關(guān)鍵問(wèn)題，例如重復(fù)暴與非重復(fù)暴是否有統(tǒng)一的起源？

目前，之江實(shí)驗(yàn)室正在研究打造基于FAST的天文智能計(jì)算平臺(tái)，將借力智能計(jì)算與人工智能技術(shù)，加速天文領(lǐng)域的科學(xué)研究。

“利用智能計(jì)算，可以深度挖掘FAST高時(shí)頻宇宙信號(hào)采樣數(shù)據(jù)，探測(cè)迄今世界最短時(shí)標(biāo)的天體輻射現(xiàn)象，探索宇宙的‘時(shí)間前沿’無(wú)人區(qū)，力爭(zhēng)理解FRB起源。”李菂說(shuō)道。

這一研究成果已發(fā)表在《科學(xué)》。

新聞背景：

超新星是某些恒星在演化接近末期時(shí)經(jīng)歷的一種劇烈爆炸。這種爆炸極其明亮，過(guò)程中所突發(fā)的電磁輻射經(jīng)常能夠照亮其所在的整個(gè)星系，并可能持續(xù)幾周至幾個(gè)月才會(huì)逐漸衰減。而在此期間，一顆超新星所釋放的輻射能量可以與太陽(yáng)在其一生中輻射能量的總和相當(dāng)。恒星通過(guò)爆炸可以將其大部分甚至幾乎所有物質(zhì)以高至十分之一光速的速度向外拋散，并向周圍的星際物質(zhì)輻射激波。這種激波會(huì)導(dǎo)致一個(gè)由膨脹的氣體和塵埃構(gòu)成的殼狀結(jié)構(gòu)形成，這被稱作超新星遺跡。

脈沖星風(fēng)云是一種在超新星遺跡外殼內(nèi)發(fā)現(xiàn)的星云，由中央脈沖星產(chǎn)生的風(fēng)驅(qū)動(dòng)。脈沖星是高速轉(zhuǎn)動(dòng)的強(qiáng)磁場(chǎng)中子星，是大質(zhì)量恒星壽命晚期發(fā)生超新星爆發(fā)的過(guò)程中形成的，其半徑只有10千米左右，而典型磁場(chǎng)約為一萬(wàn)億高斯，相當(dāng)于地球磁場(chǎng)的兩萬(wàn)億倍。