天文学家揭示神秘快速射电暴的形成新线索

在快速射电暴(FRBs)——毫秒级深空宇宙电磁辐射爆发——被发现15年后,全球天文学家一直在宇宙中寻找有关它们如何以及为何形成的线索。

至今发现的几乎所有FRBs都源自我们银河系外的深空。直到2020年4月,第一个银河FRB“FRB 20200428”被检测到。这个FRB是由一个磁星(SGR J1935+2154)产生的,磁星是一个密度极大、类似城市大小的中子星,拥有极其强大的磁场。

这个突破性发现让一些人认为,在我们银河系外的宇宙距离被发现的FRBs也可能由磁星产生。然而,这种情况的决定性证据,即磁星自转产生的旋转周期,至今仍未被检测到。对SGR J1935+2154的新研究扫清了这一奇怪的不一致。

在7月28日的《科学前沿》杂志上,一支国际科学家团队,包括UNLV天体物理学家张冰,报告了继2020年4月FRB之后对SGR J1935+2154的持续监测,并在5个月后发现了另一宇宙现象“射电脉冲星相”。

解开一个宇宙难题

为了寻找答案,天文学家部分依赖像中国巨大的五百米口径球面射电望远镜(FAST)这样强大的射电望远镜来追踪FRBs和其他深空活动。使用FAST,天文学家观察到FRB 20200428和后来的脉冲星相源自磁星范围内的不同区域,这暗示了不同的起源。

“FAST在13天内的16.5小时内从该源检测到了795次脉冲,”论文主要作者、中国国家天文台的朱伟伟说,“这些脉冲显示出与从该源观测到的爆发不同的观测特性。”

来自磁层区域的发射模式两极分化帮助天文学家理解FRBs和相关现象是如何以及在何处发生在我们银河内,可能也包括更远的宇宙距离。

射电脉冲是宇宙电磁爆发,类似于FRBs,但其亮度通常低于FRB约10个数量级。脉冲通常不在磁星而是在其他称为脉冲星的自转中子星中观察到。据张冰表示,他是论文的对应作者,也是内华达州天体物理中心的主任,大多数磁星在大部分时间都不发射射电脉冲,这可能是由于它们极强的磁场。但是,正如SGR J1935+2154的情况,它们中的一些在某些爆发活动之后会变成临时射电脉冲星。

使爆发和脉冲不同的另一个特征是它们的发射“相位”,即在每个发射周期中发射射电的时间窗口。

“像射电脉冲星中的脉冲一样,磁星脉冲也是在每个周期内的一个狭窄相位窗口内发射的,”张冰说,“这就是著名的‘灯塔’效应,即发射波束每周期扫过视线一次,并且只在每个周期的一个短时间内发射。然后你就可以观察到脉冲射电发射。”

张冰说,2020年4月的FRB以及后来几次较弱的爆发都是在脉冲相中确定的脉冲窗口之外的随机相位发出的。

“这强烈表明脉冲和爆发起源于磁星磁层内不同的位置,暗示脉冲和爆发之间可能存在不同的发射机制,”他说。

对宇宙FRBs的启示

对一个银河FRB源的这样详细观察让我们对普遍存在于宇宙距离的神秘FRBs有了更多了解。

许多宇宙距离外的FRB源——那些发生在我们银河系外的源——已经被观察到可以重复。在某些情况下,FAST检测到个别源重复了数千次爆发。在过去,人们利用这些爆发进行了秒级周期性的深入搜索,但至今未发现任何周期。

根据张冰的说法,这使得FRBs由磁星驱动的流行观点陷入困境。

“我们发现爆发倾向于在随机相位生成这一发现为重复FRBs未发现周期性提供了自然解释,”他说,“出于未知原因,爆发倾向于从一个磁星向各个方向发射,这使得从FRB源识别出周期变得不可能。”