天文學家揭示神秘快速射電暴的形成新線索

在快速射電暴(FRBs)——毫秒級深空宇宙電磁輻射爆發——被發現15年後,全球天文學家一直在宇宙中尋找有關它們如何以及爲何形成的線索。

至今發現的幾乎所有FRBs都源自我們銀河系外的深空。直到2020年4月,第一個銀河FRB“FRB 20200428”被檢測到。這個FRB是由一個磁星(SGR J1935+2154)產生的,磁星是一個密度極大、類似城市大小的中子星,擁有極其強大的磁場。

這個突破性發現讓一些人認爲,在我們銀河系外的宇宙距離被發現的FRBs也可能由磁星產生。然而,這種情況的決定性證據,即磁星自轉產生的旋轉週期,至今仍未被檢測到。對SGR J1935+2154的新研究掃清了這一奇怪的不一致。

在7月28日的《科學前沿》雜誌上,一支國際科學家團隊,包括UNLV天體物理學家張冰,報告了繼2020年4月FRB之後對SGR J1935+2154的持續監測,並在5個月後發現了另一宇宙現象“射電脈衝星相”。

解開一個宇宙難題

爲了尋找答案,天文學家部分依賴像中國巨大的五百米口徑球面射電望遠鏡(FAST)這樣強大的射電望遠鏡來追蹤FRBs和其他深空活動。使用FAST,天文學家觀察到FRB 20200428和後來的脈衝星相源自磁星範圍內的不同區域,這暗示了不同的起源。

“FAST在13天內的16.5小時內從該源檢測到了795次脈衝,”論文主要作者、中國國家天文臺的朱偉偉說,“這些脈衝顯示出與從該源觀測到的爆發不同的觀測特性。”

來自磁層區域的發射模式兩極分化幫助天文學家理解FRBs和相關現象是如何以及在何處發生在我們銀河內,可能也包括更遠的宇宙距離。

射電脈衝是宇宙電磁爆發,類似於FRBs,但其亮度通常低於FRB約10個數量級。脈衝通常不在磁星而是在其他稱爲脈衝星的自轉中子星中觀察到。據張冰表示,他是論文的對應作者,也是內華達州天體物理中心的主任,大多數磁星在大部分時間都不發射射電脈衝,這可能是由於它們極強的磁場。但是,正如SGR J1935+2154的情況,它們中的一些在某些爆發活動之後會變成臨時射電脈衝星。

使爆發和脈衝不同的另一個特徵是它們的發射“相位”,即在每個發射週期中發射射電的時間窗口。

“像射電脈衝星中的脈衝一樣,磁星脈衝也是在每個週期內的一個狹窄相位窗口內發射的,”張冰說,“這就是著名的‘燈塔’效應,即發射波束每週期掃過視線一次,並且只在每個週期的一個短時間內發射。然後你就可以觀察到脈衝射電發射。”

張冰說,2020年4月的FRB以及後來幾次較弱的爆發都是在脈衝相中確定的脈衝窗口之外的隨機相位發出的。

“這強烈表明脈衝和爆發起源於磁星磁層內不同的位置,暗示脈衝和爆發之間可能存在不同的發射機制,”他說。

對宇宙FRBs的啓示

對一個銀河FRB源的這樣詳細觀察讓我們對普遍存在於宇宙距離的神秘FRBs有了更多瞭解。

許多宇宙距離外的FRB源——那些發生在我們銀河系外的源——已經被觀察到可以重複。在某些情況下,FAST檢測到個別源重複了數千次爆發。在過去,人們利用這些爆發進行了秒級週期性的深入搜索,但至今未發現任何週期。

根據張冰的說法,這使得FRBs由磁星驅動的流行觀點陷入困境。

“我們發現爆發傾向於在隨機相位生成這一發現爲重複FRBs未發現週期性提供了自然解釋,”他說,“出於未知原因,爆發傾向於從一個磁星向各個方向發射,這使得從FRB源識別出週期變得不可能。”