中國天眼發現首例持續活躍重複快速射電暴

快速射電暴（FRB）是宇宙中最明亮的射電爆發現象，在1毫秒的時間內釋放出太陽大約一整年才能輻射出的能量。近日，中國科學院國家天文臺李菂研究員領導的國際團隊，通過中國天眼的“多科學目標同時巡天”優先重大項目，發現了迄今爲止唯一一例持續活躍的重複快速射電暴 FRB 20190520B。

李菂說：“這個發現揭示了活躍重複暴周邊的複雜環境有類似超亮超新星爆炸的特徵，挑戰了對快速射電暴色散分析的傳統觀點，爲構建快速射電暴的演化模型、理解這一劇烈的宇宙神秘現象打下了基礎。”

該成果於北京時間2022年6月9日在國際學術期刊《自然》雜誌發表。

FRB 20190520B的發現

快速射電暴的研究歷程並不長，2007年首次確定了它的存在，2016年探測到第一例重複爆發的快速射電暴，打破了人們對快速射電暴的傳統認知，目前該領域已成爲天文學最新研究熱點之一。全球已公佈了近五百例快速射電暴，僅不到10例有活躍爆發（即在其窗口期內頻繁爆發）。此前並未發現存在持續活躍的重複快速射電暴。

作爲世界上最大的單口徑望遠鏡，FAST也在幾年前開展了快速射電暴的搜尋工作。2020年，FAST多科學目標同時巡天優先重大項目公佈了基於調試數據發現的四例新的非重複快速射電暴，這幾例快速射電暴是FAST首批發現的快速射電暴，填補了快速射電暴在高色散低流量通量的樣本空白。

2019年5月20日，一例重複快速射電暴被FAST探測到，依據慣例，論文第一作者、國家天文臺青年學者牛晨輝用探測日期來命名快速射電暴，稱爲 FRB 20190520B。

牛晨輝說：“在最初被探測到時，FRB 20190520B就表現出活躍的跡象。我們在同一個波束掃過的10秒中內，看到了3次爆發，而20秒後，另外一個波束掃到相鄰位置時又探測到1次爆發。”

根據中國天眼漂移掃描中最開始發現的 4 次爆發的時間及望遠鏡指向，科研人員將爆發區域縮小到了5角分的範圍內，而這也爲後續利用干涉陣列跟蹤提供了相對精確可靠的位置信息。

CRAFTS項目是李菂研究員負責的FAST重大優先項目，快速射電暴的搜尋工作是該項目中的一個重要方向。國家天文臺朱煒瑋研究員負責的FAST另一優先重大項目“快速射電暴巡天”爲FRB 20190520B的後隨觀測提供了重要支撐。

圖1.從色散-紅移關係上清晰可見FRB 20190520B擁有最大的宿主星系電子密度。圖中斜線爲包含了宇宙主要重子物質成分的“Macquart Relation[5]”。

來自距離地球33億光年的一個矮星系

爲了獲取FRB 20190520B更精確的位置從而找出其宿主星系，科研團隊申請了美國甚大陣列的觀測，於2020年7月20 日開始對FRB 20190520B的搜尋觀測。

牛晨輝說：“由於中國天眼提供的位置相對精確以及FRB 20190520B非常活躍，我們在第一次的美國甚大陣列觀測中就探測到了來自FRB20190520B的爆發，並將該源的位置限制在了亞角秒的範圍內。”

令團隊成員更興奮的是，他們在快速射電暴成協的位置，發現了一顆緻密的持續射電源的存在，這是繼首例重複暴FRB 20121102A後，第二例探測到伴隨有致密持續射電源的快速射電暴。

然而，這個持續射電源的對應體究竟是什麼還未知，可能是活動星系核，也可能是超新星爆炸遺蹟的輻射。牛晨輝說：“但不管怎樣，持續射電源的發現，爲揭示FRB 20190520B的起源提供了重要線索。”

有了角秒級的定位，科研團隊通過搜尋存檔的光學望遠鏡數據，找到了FRB 20190520B的宿主星系，並馬上組織了對宿主星系的光學後隨觀測。通過美國帕洛瑪 200 英寸望遠鏡和凱克望遠鏡，他們分別得到了兩組光譜。分析發現，這兩組光譜數據呈現出一致的結果：FRB 20190520B的宿主星系是一個紅移 0.241 的矮星系，距離地球33億光年。

圖2. 夜空下的中國天眼FAST和美國甚大天文陣列望遠鏡（非實景圖）。

有望建立全新的快速射電暴演化圖景，撥開快速射電暴神秘的面紗

此次中國天眼發現的FRB 20190520B與美國阿雷西博望遠鏡2016年發現的FRB 20121102A非常相似。FRB 20121102A是人類發現的第一個快速射電暴重複暴和第一個被定位的FRB，也是此前唯一被確認有致密射電源對應體的FRB。

李菂說：“二者都極爲活躍，都擁有複雜的電磁環境，而FRB 20190520B各方面的特徵都更爲極端：例如FRB 20121102A存在爆發活躍期，但是FRB 20190520B從未停止爆發，目前FAST已經探測到了後者幾百次爆發。”

本研究發現的初步結果公佈後，引起了國際天文界的廣泛關注，這一重要發現已經催生數篇創新模型文章，例如散射時標模型、超新星爆炸解釋等。

綜合中國天眼的近期觀測數據，FRB20121102A和FRB 20190520B很可能處在快速射電暴初生階段。

李菂說：“中國天眼的持續觀測，特別是執行‘快速射電暴巡天’優先重大項目，有望建立全新的快速射電暴演化圖景。”

快速射電暴領域創始人鄧肯·洛裡默對此評價說：“基於FRB 20190520B這些特徵及其持續射電源的存在，我認爲快速射電暴可能有不同的分類。隨着快速射電暴樣本的持續增長，預計未來幾年內，我們能夠撥開快速射電暴神秘的面紗。”

據悉，中國天眼“多科學目標同時巡天”優先重大項目迄今已經發現至少6例新快速射電暴，正在爲揭示宇宙中這一神秘現象的機制、推進天文學這一全新領域的研究做出獨特的貢獻。

來源 人民日報、中國科學院國家天文臺

編輯 皮亞丹

編審 劉丹 羅瑋

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