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重大发现!中国天眼发现首例持续活跃重复快速射电暴

2022-06-10 人民日报 中国科学院国家天文台

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快速射电暴(FRB)是宇宙中最明亮的射电爆发现象,在1毫秒的时间内释放出太阳大约一整年才能辐射出的能量。近日,中国科学院国家天文台李菂研究员领导的国际团队,通过中国天眼的“多科学目标同时巡天”优先重大项目,发现了迄今为止唯一一例持续活跃的重复快速射电暴 FRB 20190520B。

李菂说:“这个发现揭示了活跃重复暴周边的复杂环境有类似超亮超新星爆炸的特征,挑战了对快速射电暴色散分析的传统观点,为构建快速射电暴的演化模型、理解这一剧烈的宇宙神秘现象打下了基础。”

该成果于北京时间2022年6月9日在国际学术期刊《自然》杂志发表。

FRB 20190520B的发现

快速射电暴的研究历程并不长,2007年首次确定了它的存在,2016年探测到第一例重复爆发的快速射电暴,打破了人们对快速射电暴的传统认知,目前该领域已成为天文学最新研究热点之一。全球已公布了近五百例快速射电暴,仅不到10例有活跃爆发(即在其窗口期内频繁爆发)。此前并未发现存在持续活跃的重复快速射电暴。

作为世界上最大的单口径望远镜,FAST也在几年前开展了快速射电暴的搜寻工作。2020年,FAST多科学目标同时巡天优先重大项目公布了基于调试数据发现的四例新的非重复快速射电暴,这几例快速射电暴是FAST首批发现的快速射电暴,填补了快速射电暴在高色散低流量通量的样本空白。

2019年5月20日,一例重复快速射电暴被FAST探测到,依据惯例,论文第一作者、国家天文台青年学者牛晨辉用探测日期来命名快速射电暴,称为 FRB 20190520B。

牛晨辉说:“在最初被探测到时,FRB 20190520B就表现出活跃的迹象。我们在同一个波束扫过的10秒中内,看到了3次爆发,而20秒后,另外一个波束扫到相邻位置时又探测到1次爆发。”

根据中国天眼漂移扫描中最开始发现的 4 次爆发的时间及望远镜指向,科研人员将爆发区域缩小到了5角分的范围内,而这也为后续利用干涉阵列跟踪提供了相对精确可靠的位置信息。

CRAFTS项目是李菂研究员负责的FAST重大优先项目,快速射电暴的搜寻工作是该项目中的一个重要方向。国家天文台朱炜玮研究员负责的FAST另一优先重大项目“快速射电暴巡天”为FRB 20190520B的后随观测提供了重要支撑。

图1.从色散-红移关系上清晰可见FRB 20190520B拥有最大的宿主星系电子密度。图中斜线为包含了宇宙主要重子物质成分的“Macquart Relation[5]”。

来自距离地球33亿光年的一个矮星系

为了获取FRB 20190520B更精确的位置从而找出其宿主星系,科研团队申请了美国甚大阵列的观测,于2020年7月20 日开始对FRB 20190520B的搜寻观测。

牛晨辉说:“由于中国天眼提供的位置相对精确以及FRB 20190520B非常活跃,我们在第一次的美国甚大阵列观测中就探测到了来自FRB20190520B的爆发,并将该源的位置限制在了亚角秒的范围内。”

令团队成员更兴奋的是,他们在快速射电暴成协的位置,发现了一颗致密的持续射电源的存在,这是继首例重复暴FRB 20121102A后,第二例探测到伴随有致密持续射电源的快速射电暴。

然而,这个持续射电源的对应体究竟是什么还未知,可能是活动星系核,也可能是超新星爆炸遗迹的辐射。牛晨辉说:“但不管怎样,持续射电源的发现,为揭示FRB 20190520B的起源提供了重要线索。”

有了角秒级的定位,科研团队通过搜寻存档的光学望远镜数据,找到了FRB 20190520B的宿主星系,并马上组织了对宿主星系的光学后随观测。通过美国帕洛玛 200 英寸望远镜和凯克望远镜,他们分别得到了两组光谱。分析发现,这两组光谱数据呈现出一致的结果:FRB 20190520B的宿主星系是一个红移 0.241 的矮星系,距离地球33亿光年。

图2. 夜空下的中国天眼FAST和美国甚大天文阵列望远镜(非实景图)。

有望建立全新的快速射电暴演化图景拨开快速射电暴神秘的面纱

此次中国天眼发现的FRB 20190520B与美国阿雷西博望远镜2016年发现的FRB 20121102A非常相似。FRB 20121102A是人类发现的第一个快速射电暴重复暴和第一个被定位的FRB,也是此前唯一被确认有致密射电源对应体的FRB。

李菂说:“二者都极为活跃,都拥有复杂的电磁环境,而FRB 20190520B各方面的特征都更为极端:例如FRB 20121102A存在爆发活跃期,但是FRB 20190520B从未停止爆发,目前FAST已经探测到了后者几百次爆发。”

本研究发现的初步结果公布后,引起了国际天文界的广泛关注,这一重要发现已经催生数篇创新模型文章,例如散射时标模型、超新星爆炸解释等。

综合中国天眼的近期观测数据,FRB20121102A和FRB 20190520B很可能处在快速射电暴初生阶段。

李菂说:“中国天眼的持续观测,特别是执行‘快速射电暴巡天’优先重大项目,有望建立全新的快速射电暴演化图景。”

快速射电暴领域创始人邓肯·洛里默对此评价说:“基于FRB 20190520B这些特征及其持续射电源的存在,我认为快速射电暴可能有不同的分类。随着快速射电暴样本的持续增长,预计未来几年内,我们能够拨开快速射电暴神秘的面纱。”

据悉,中国天眼“多科学目标同时巡天”优先重大项目迄今已经发现至少6例新快速射电暴,正在为揭示宇宙中这一神秘现象的机制、推进天文学这一全新领域的研究做出独特的贡献。

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