“中國天眼”的新發(fā)現(xiàn) 終結(jié)天文界持續(xù)多年的一場爭論

快速射電暴，廣袤宇宙中一種射電波瞬間暴發(fā)的現(xiàn)象，其持續(xù)時間極短，通常只有幾毫秒。它們往往“神龍見首不見尾”，出現(xiàn)一次，便再無蹤跡。

過去十幾年，天文學(xué)家一直在收集相關(guān)信息，只為探求真相：到底是誰發(fā)出了這種電波?如此快速閃現(xiàn)的射電波究竟包含了什么信息?

10月29日和11月5日，利用500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)，科學(xué)家在國際科學(xué)期刊《自然》雜志上分別發(fā)表了2篇關(guān)于快速射電暴的研究成果，這口被喻為“中國天眼”的大鍋，“看到”了這種毫秒電波起源的一些蛛絲馬跡。

幾毫秒釋放地球上幾百億年的發(fā)電量

2007年，天文學(xué)家在分析澳大利亞64米射電望遠(yuǎn)鏡于2001年記錄的信號時，首次發(fā)現(xiàn)了這種毫秒電波。它表現(xiàn)為一個持續(xù)時間很短、非常明亮的射電脈沖輻射，科學(xué)家將這種毫秒閃現(xiàn)的電波形象地稱為快速射電暴。

可別小瞧這幾毫秒的閃現(xiàn)，雖然它存在的時間非常短，但能量特別高。在這幾毫秒的時間里，它可以把地球上幾百億年的發(fā)電量，完全以射電波的形式釋放掉。

“我們認(rèn)為，快速射電暴是由自然的天體物理過程產(chǎn)生的。根據(jù)探測的輻射特征和觀測特性，我們覺得它應(yīng)該來自磁星的磁層。”北京大學(xué)教授、中國科學(xué)院國家天文臺研究員李柯伽說。

磁星是宇宙中一類致密天體，它的周圍有著特別強的磁場。

事實上，關(guān)于快速射電暴的來源，主流的理論假說可以分為兩派。一派認(rèn)為它來自磁星的磁層;另一派則認(rèn)為，某些致密天體爆發(fā)會產(chǎn)生激波，快速射電暴便來源于激波相互作用驅(qū)動的輻射。

然而這些理論仍只是假設(shè)，快速射電暴的來源仍然是個謎團。為何它如此難以探尋根源?“快速射電暴幾毫秒間就消失了，非常難以捕獲。因此，這個問題幾乎是天文學(xué)中最難的問題之一。”中國科學(xué)院國家天文臺研究員韓金林說。

經(jīng)過大約10年的探測，天文學(xué)家收集了大約150多個快速射電暴的爆發(fā)源，通過測量信號穿過星系際和銀河系介質(zhì)的效應(yīng)，可以斷定這些爆發(fā)源中的絕大多數(shù)不在銀河系內(nèi)。

2017年，天文學(xué)家捕獲到一個毫秒射電暴發(fā)，它竟然在幾個小時內(nèi)重復(fù)了幾次。天文學(xué)家利用全世界多臺大型射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合探測，并利用幾毫秒的記錄信號進(jìn)行快速定位，終于將這個重復(fù)暴發(fā)的快速射電暴的爆發(fā)源定位到距離地球30億光年的一個星系內(nèi)。

為兩大派系理論爭鋒一錘定音

過去，因為我國沒有大型射電望遠(yuǎn)鏡，中國天文學(xué)家無法拿到第一手資料，所以在這個前沿領(lǐng)域的研究中，他們多是側(cè)重于理論研究。

FAST在探測快速射電暴方面具有無可比擬的優(yōu)勢。“‘中國天眼’的接收面積非常大，超高的靈敏度使其能夠看到其他望遠(yuǎn)鏡看不到的、比較弱的脈沖輻射。”李柯伽說。

2019年，天文學(xué)家利用FAST觀測了一個爆發(fā)源FRB 180301。2018年3月1日，澳大利亞首次探測到了這個爆發(fā)源，研究人員希望能夠確定這個爆發(fā)源是否會重復(fù)暴發(fā)。幸運的是，2019年7月16日，在2小時觀測中，研究團隊如愿探測到了4次暴發(fā)。

但隨后在9月11日4個小時的觀測中，研究團隊竟然什么信號也沒有探測到。經(jīng)過研究，他們發(fā)現(xiàn)澳大利亞報告的爆發(fā)源位置有誤差，隨后調(diào)整了觀測策略，將望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)位置調(diào)正，并記錄偏振信號。在2019年10月6日和7日，F(xiàn)AST在6個小時內(nèi)探測到11次暴發(fā)。

統(tǒng)計下來，在共計12個小時的觀測時間里，F(xiàn)AST探測到了15次暴發(fā)，每次電波閃現(xiàn)的強度曲線也各不相同。“這個爆發(fā)源與30億光年外的那個爆發(fā)源距離類似、射電暴發(fā)率類似，但強度上要弱很多。”韓金林說。

更重要的是，觀測發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RB 180301的偏振行為具有復(fù)雜的多樣性。

“現(xiàn)在，我們觀測了一個新的快速射電重復(fù)暴，通過對11次暴發(fā)電波的高靈敏度偏振信號解析，我們發(fā)現(xiàn)其每個脈沖的偏振特性都不一樣。FAST觀測到的偏振變化多樣性明確說明：宇宙中快速射電暴的爆發(fā)源可能來自致密天體磁層中的物理過程。”韓金林說，這個觀測結(jié)果直接否定了一批國際學(xué)者關(guān)于快速射電暴來自粒子沖撞的理論，為近幾年兩大派系的理論爭鋒一錘定音。

“類似于地球，磁星也會形成磁層。我們這次的觀測是快速射電暴來源于磁層的一個最直接證據(jù)。”李柯伽說。

追蹤到磁星與快速射電暴之間的聯(lián)系

2020年4月，北京師范大學(xué)的林琳博士提出了利用FAST觀測銀河系磁星SGR J1935+2154軟伽馬射線重復(fù)暴源(SGR)的申請。經(jīng)批準(zhǔn)后，研究人員使用FAST的L波段19波束接收機，對SGR J1935+2154進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測。在SGR J1935+2154的X射線和軟伽馬射線暴發(fā)活躍期、特別是29個軟伽馬射線暴對應(yīng)的精確時間節(jié)點上未探測到任何射電脈沖輻射。

借助FAST超高的靈敏度，結(jié)合此前加拿大氫強度測繪實驗(CHIME)望遠(yuǎn)鏡和暫現(xiàn)射電天文輻射巡天2(STARE-2)的探測，F(xiàn)AST實現(xiàn)了對8個數(shù)量級亮度空間的覆蓋，給出了這一銀河系內(nèi)快速射電暴源迄今最嚴(yán)格的射電流量限制。

磁星是高度磁化的特殊致密天體，4月28日，加拿大氫強度測繪實驗望遠(yuǎn)鏡首次在銀河系內(nèi)磁星SGR J1935+2154上探測到了明亮的毫秒級射電暴FRB 200428，追蹤到磁星與快速射電暴之間的聯(lián)系。

本次FAST觀測結(jié)合了國際多波段設(shè)備，比如費米衛(wèi)星伽馬暴監(jiān)測器(Fermi-GBM)、光學(xué)BOOTES望遠(yuǎn)鏡及慧眼衛(wèi)星硬X線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡(Insight-HXMT)等。FAST的測量結(jié)果對研究快速射電暴的起源和物理機制，具有十分重要的意義。觀測結(jié)果表明，快速射電暴與軟伽馬射線重復(fù)暴發(fā)具有較弱的相關(guān)性。

“這有幾種可能的原因：一種是快速射電暴可能存在高度相對論性和特殊幾何位形的集束效應(yīng);另一種是快速射電暴光譜可能很窄且大部分遠(yuǎn)離FAST觀測波段;此外也可能是與軟伽馬射線暴成協(xié)的快速射電暴比較特殊。”中國科學(xué)院國家天文臺王培博士說，未來需要對銀河系內(nèi)更多快速射電暴進(jìn)一步觀測，去判定哪種解釋更接近正確答案。

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磁星：宇宙中的磁場“怪物”

磁星是一種具有超強磁場的中子星，其表面磁場比目前人類實驗室能制造出來的最強磁場還強上億倍?？茖W(xué)家認(rèn)為，當(dāng)兩個相互繞轉(zhuǎn)的中子星并合后，會形成一個新的質(zhì)量更大的致密天體，如果這個新天體的質(zhì)量超過中子星的質(zhì)量上限，那么天體內(nèi)部物質(zhì)的壓力將難以抗衡天體自身的引力，使得天體直接坍縮成為一個黑洞。但天文學(xué)家認(rèn)為，在塌縮之前它很有可能會先形成一個更加有趣的天體——磁星。

1992年，天文學(xué)家羅伯特·鄧肯和克里斯托佛·湯普森最先預(yù)言了這種神奇的天體，磁星理論也逐漸被人們所接受。但磁星較為罕見，目前天文學(xué)家并不確定為何它的磁場如此強大。一種觀點認(rèn)為，如果一顆中子星的旋轉(zhuǎn)使其溫度和磁場能夠完美地結(jié)合在一起，那么它會像發(fā)電機一樣將其磁場放大一千倍。

關(guān)鍵詞： 中國天眼 天文界爭論