16天一“闪”的它暗藏了多少信息?

2020年07月01日 11:05 次阅读 稿源:赛先生 条评论

快速射电暴是宇宙中一种非常剧烈的射电闪光现象。随着探测手段的提升以及大型射电装置的投入使用,人们不断地探索着快速射电暴蕴含的丰富的天体物理信息。近日,《自然》期刊发表了一篇关于周期性重复快速射电暴的报道,其约为16天的周期特征将为我们揭示快速射电暴的起源迈进巨大的一步。本文基于张冰教授在《自然》发表的评论文章整理而成。

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图片来源:pixabay

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快速射电暴(Fast Radio Bursts, FRB)是一种神秘的来自银河系外的射电天文现象。爆发的持续时间仅为几个毫秒,却可在这极短的时间内显示出极高的亮度。根据估计,FRB在几个毫秒释放的能量,相当于太阳燃烧一天的能量总和。

2007年,Lorimer团队从澳大利亚Parkes望远镜历史的存档数据中找到了人类历史上第一个被观测到的FRB事件:FRB 010724。随后,Keane、Thornton等团队陆续发现了其他类似的事件,这标志着FRB的研究正式成为时域天文学的一个重要新方向。

每个FRB发射出的电磁波在宇宙中传播时,通常都会受到星际介质的影响,高频电磁信号总是比低频信号更早到达接收机,这一现象称为电磁波的色散。色散量的大小由介质的等离子体密度和传播的路径决定。自第一例FRB发现以来,不论是观测的色散量超出银河系预期的色散量贡献,还是精确到宿主星系的定位,都表明FRB是一些来自银河系外的辐射过程,其起源一直是天文界的热点话题。

起先,人们认为FRB起源于一些极端的灾难性事件,如双致密天体并合、超新星爆发等。2016年,第一例重复暴事件FRB 121102的发现引起了天文学界的热议。重复暴是指能够在同一个位置产生两次以上FRB事件的源。重复暴的发现使人们意识到FRB绝对不是简单的灾难性事件所能解释的。重复暴的研究尤为重要,它们可以在天空的同一个地方重复地产生。由于FRB持续的时间极短,科学家很难对其进行精确定的空间定位。但重复暴的发生在不断地为我们提供机会,一次不行两次,两次不行多试几次,总是能确定暴发源的位置。

2017年,科学家们实现了对重复暴FRB 121102的精确定位,并找到了其距离我们30亿光年左右的宿主星系。距离这个FRB源120个光年以内的距离,存在一个未知的射电持续源。随着技术手段的不断提升,目前已有9个FRB定位到其宿主星系,暗示着FRB宇宙学的时代或将到来。2018年,在FRB 121102的偏振测量中,科学家发现这个FRB源可能处于一个极高的磁场环境中,这是目前其他FRB源所不具有的特征。尽管人们在重复暴宿主星系以及磁场环境的研究上做了许多努力,FRB的起源依然成谜。

2019年,多个新的重复暴源被发现,天文学者们自此确信重复暴不再是某种个例。迄今为止,已经有超过100个FRB源被发现,而其中有20多个源可以重复地产生爆发。绝大多数重复暴中可以发现一些奇怪的子脉冲结构,这些子脉冲具有不同的中心频率,并在不同时刻抵达探测器,这种现象称为时间-频率漂移。2020年4月份,这一现象在一个银河系内的磁星射电暴发中被发现,暗示着磁星或许与FRB之间有着千丝万缕的联系。

不过。不论磁星也好、中子星也罢,它们都是宇宙中高速旋转的强磁场致密天体。理论上这类天体是产生FRB的绝佳场所,特别是脉冲星这种高速旋转的中子星,其射电辐射束总是周期性地扫过地球视线方向。人们自然联想到,旋转的中子星或者磁星作为FRB的起源,极有可能存在某种周期性特征。

近日,加拿大氢强度测绘实验(CHIME,图1)发布了FRB 180916.J0158 + 65存在大约16天为重复周期的观测结果,这为人类揭示FRB的起源迈出了巨大的一步!

FRB 180916.J0158 + 65是CHIME发现的最早的重复暴之一。它也是迄今为止发现的距离我们最近的FRB(红移为0.034,距离我们4.8亿光年),其宿主星系是一个旋涡星系。

该星系拥有较高的恒星形成率,这与另一个重复暴FRB 121102的宿主星系类似,却不同于其他一些非重复的低恒星形成率宿主星系,这或许说明在FRB王国中的确存在着重复暴和非重复暴两类成员。

图1:CHIME望远镜台址。这些与传统意义上的望远镜截然不同的“铁架子”其实是CHIME的天线,图片来源:http://chime.phas.ubc.ca

图1:CHIME望远镜台址。这些与传统意义上的望远镜截然不同的“铁架子”其实是CHIME的天线,图片来源:http://chime.phas.ubc.ca

CHIME望远镜位于加拿大西南部,由4个100米长的柱形天线组成,观测频段为400-800 MHz。CHIME望远镜拥有极大的视场,平均每天可探测到1-10个FRB事件,是捕捉FRB的超级能手。由于FRB 180916.J0158 + 65经常落入CHIME望远镜的视野,因此每天都会对其进行长时间的自动监控。自2018年9月16日到2020年2月4日以来,共观测到它的38次爆发。此外欧洲超长基线干涉测量网络(EVN)以及德国的Effelsberg望远镜也参与其中,EVN此次也探测到若干爆发,而Effelsberg给出探测的流量上限约为太阳辐射的千万分之一。令人惊讶的是,这些都爆发呈现了16.35天的周期特征。每个时段的活动窗口约为5天,该窗口中的大多数暴发事件都集中在大约0.6天的时间中(图2)。

图2:FRB 180916.J0158 + 65的周期特征。灰色为5天的射电活动窗口,三角形表示不同望远镜观测到的FRB信号,图片来源:引自The CHIME/FRB Collaboration et al。 2020

图2:FRB 180916.J0158 + 65的周期特征。灰色为5天的射电活动窗口,三角形表示不同望远镜观测到的FRB信号,图片来源:引自The CHIME/FRB Collaboration et al。 2020

在如此长时间尺度的天体物理现象中寻找周期并不是件容易的事,尤其是只有几十个观测样本。这需要仔细分析观测数据来寻找活跃的时间窗口,而这一任务通常会因假定的规则爆发周期未知而变得非常复杂。另外,具有宽功率谱的随机过程,即红噪声,其功率密度平滑地增加到低频。红噪声对周期的寻找也是一个棘手的难题。如果忽略红噪声的影响,随机的变化也可能产生看似周期间隔的行为,如先前对某些类星体的观测(图3)。

图3:类星体PG 1302−102的光变曲线,图片来源:引自Vaughan et al。 2016

图3:类星体PG 1302−102的光变曲线,图片来源:引自Vaughan et al。 2016

对于周期特征的解释,一种说法认为FRB起源于轨道周期为16天的中子星双星系统[13,14]。当中子星与其大质量伴星靠的比较近时,双星系统进入活跃状态。根据轨道周期计算,这需要双星之间的距离大约为四分之一个天文单位(日地距离,约1.5亿公里),然而在这个距离下中子星与伴星的相互作用很难达到产生FRB的要求。我们考虑FRB辐射来自于中子星自身的活动,伴星强大的星风会遮挡来自中子星的射电辐射,如果中子星也存在强力的星风,那么它将扫开周围的恒星星风物质,打开一个射电窗口,使FRB有机会扫过地球。这个窗口以16天为间隔,周期性地扫过我们的视线(图4a)。

图4:周期性FRB的两种图像,图片来源:引自Zhang 2020。(a)中子星双星系统;中子星(Neutron star)的星风将扫开大质量伴星星风的抛射物质,形成一个射电透明的观测窗口,使FRB得以逃脱。随着双星系统的运动,这个射电窗口扫过地球视线的周期即为双星系统的轨道周期。(b)中子星的进动;中子星的射电辐射束非常窄。当具有一定椭率的中子星自由进动或者受外界影响受迫进动时,其辐射束以进动周期等间隔性地扫过地球视线方向。

图4:周期性FRB的两种图像,图片来源:引自Zhang 2020。(a)中子星双星系统;中子星(Neutron star)的星风将扫开大质量伴星星风的抛射物质,形成一个射电透明的观测窗口,使FRB得以逃脱。随着双星系统的运动,这个射电窗口扫过地球视线的周期即为双星系统的轨道周期。(b)中子星的进动;中子星的射电辐射束非常窄。当具有一定椭率的中子星自由进动或者受外界影响受迫进动时,其辐射束以进动周期等间隔性地扫过地球视线方向。

中子星的进动周期是另一种可能的解释。“周期性”一词对于中子星而言,往往自然让人联想到自转周期,然而实际上中子星具有极高的自转速度(周期大小为1毫秒到1秒),16天的长度似乎不太能解释为中子星的自转周期。由于中子星自身存在一定的椭率,高速旋转的中子星可产生周期为几十天的自由进动。又或者在伴星的引力作用下,中子星同样可产生类似周期大小的受迫进动。这里在几何上要求FRB产生于中子星的磁层,极端相对论电子使大部分辐射流量被集束在一个很窄的光锥内。这些射电束就像陀螺仪一样,随着中子星的进动,周期性地进入地球的视野(图4b)。

总之,FRB周期的探测,可谓是一项艰巨而精细的工程,它对于揭示FRB的起源有着重大意义。同时,FRB的周期活跃性也为后续跟踪观测提供指导。当然,是否存在比16天更短的公约数周期问题依然值得探索。我们不禁思考,周期性特征究竟是不是所有重复暴共同具有的属性。非重复暴本身是一些重复率极低的事件,还是本征的一次性事件。这需要我们在未来使用大型观测设备投入更多的时间跟精力进行探索。相信揭秘FRB真相的这一天已经不远了。

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