快速射電暴和宿主星系藝術想象圖。世界最大單口徑射電望遠鏡中國“天眼”（左下）和空間分辨率最高的單口徑光學望遠鏡凱克望遠鏡（右上）承擔該研究觀測任務。喻京川、傅海繪圖

54天82小時，科學家利用中國“天眼”（FAST）給銀河系外一個持續時間僅有十幾秒的“神秘信號”——快速射電暴（FRB） 20201124A拍了一個“大片”。相關研究成果9月22日發表于《自然》。

快速射電暴幾毫秒內瞬間爆發的無線電波段的能量，相當于全球總發電量累計幾百億年的總和。自2007年首次發現以來，科學家迄今已發現上千個此類事件。但它們的起源究竟是什么，答案并不十分確定。

科學家對這個河外信號的近2000次爆發進行了動態監測，取得多個國際首次重要發現。“我們發現，它來自一個宿主星系的恒星不那么密集的地方，那里的磁場變化非常強烈。”論文通訊作者、北京大學教授、中科院國家天文臺研究員李柯伽告訴《中國科學報》。

“用我國自主研制的世界一流的‘天眼’望遠鏡，率先看到其他人尚未看到的新現象，這很激動人心，也是科學發現的魅力所在。”論文共同通訊作者、中科院國家天文臺研究員朱煒瑋說，他很榮幸自2017年起就參加了FAST早期調試工作，并在大裝置建成后參與相關研究。

同一天，該論文共同作者、南京大學天文學系教授王發印還在發表于《自然—通訊》的另一項研究中對此次觀察結果進行了數據建模，在磁星（一類磁場極強的中子星）之外，為快速射電暴的“雙星起源”潛在動力來源提供了證據。

捕捉奇異現象

FRB 20201124A是2020年加拿大氫強度測繪實驗（CHIME）望遠鏡發現的一個河外信號。

“這個大視場望遠鏡很善于抓住新的快速射電暴，發現這個信號活躍之后，我們馬上開始跟進。”朱煒瑋告訴《中國科學報》，這是天文學國際合作和信息分享的一個案例。正如最近中科院國家天文臺副研究員王培等利用FAST發現另一個快速射電暴FRB 20121102A重復出現并在《天文學簡報》上與國際同行共享一樣，這樣做可以讓全世界的天文學家第一時間跟進活躍的天體，抓住新的現象。

從2021年4月1日到6月11日的兩個多月時間里，科學家利用FAST對FRB 20201124A展開每天一小時的持續觀測。

“就像拍電影一樣，通過無線電的方式，觀看它的物理演化。”論文共同通訊作者、美國內華達大學拉斯維加斯分校教授張冰說，隨著地球自轉和公轉，在這兩個多月里，觀測時間從最開始的下午4點慢慢移到上午，最后一次觀測則是早上6點鐘。

據介紹，推算觀測時間并不難，只要在計算機上“按模型跑兩次就行”。復雜的是分析和處理在此過程中獲取的大量數據——54天82小時觀測的1863個爆發的動態脈沖信號。如此高頻度的爆發率也使該事件成為最活躍的幾個重復暴之一。為了解這些數據到底說明了什么，研究者需要開發新的理論模型。

“稿件是今年7月接收的，相比觀測的兩個多月，過去一年半里我們大部分時間是在分析獲得的數據能給我們什么信息。”李柯伽說。

讓研究者欣喜的是，他們最終觀察到許多國際上未曾發現的快速射電暴現象。

這包括首次發現了法拉第旋轉量的奇異演化行為，即在前36天里法拉第旋轉出現了無規律的短時標演化，而在隨后的18天里幾乎不變；首次發現了快速射電暴的猝滅現象，即從保持高爆發狀態到在72小時內突然熄滅；首次探測到與之前所有快速射電暴都顯著不同的高圓偏振度脈沖，其最高值達到了75%；還首次測到了偏振度隨著電磁波波長振蕩的現象。

“這些現象都說明，在FRB 20201124A周圍1個天文單位（即太陽到地球的距離）的環境，是非常復雜且在動態演化著的。”李柯伽說。

他向《中國科學報》解釋，法拉第旋轉量可以用于了解環境中的磁場強度，其觀測到的變化說明了該快速射電暴周圍的磁場環境發生了劇烈變化。同時，通過偏振振蕩現象，他們認為其周圍的磁場達到了高斯量級以上。

窺探起源奧秘

此次研究還通過國際合作使中西望遠鏡“雙劍合璧”，在無線電波段和光學波段上優勢互補，為快速射電暴可能產生的宿主環境和理論機制提供了新的證據。

“在對FRB 20201124A的觀測中，我們還利用位于美國夏威夷的凱克10米光學望遠鏡觀測了它的宿主星系，首次分辨出宿主星系的結構，揭示了它周圍幾百光年尺度上的星系環境。”該論文共同通訊作者、北京大學教授東蘇勃對《中國科學報》說。

據介紹，研究團隊利用光譜觀測確定了宿主星系的精確紅移，據此估算它距離地球約15億光年。由于大氣湍流的影響，要看清如此遙遠的宿主星系并非易事，之前的圖像只能看到模糊的一團，而無法辨別其中任何結構。通過與美國艾奧瓦大學教授傅海等天文學家展開國際合作，采用裝有先進激光導星的自適應光學技術的凱克望遠鏡，研究團隊克服了不利影響，首次拍到該宿主星系的清晰圖像。

“這是一個約銀河系尺度大小的、富金屬的棒旋星系。”論文共同作者、北京大學博士陳平向《中國科學報》介紹，所謂的“棒旋星系”，是指恒星組成的一個“棒狀”結構穿過星系中心的旋渦星系。研究發現，此次研究的快速射電暴來源不在“棒”上，也不在“旋渦”的旋臂上，而是處于旋臂之間、距離星系中心中等距離，位于星系盤上恒星密度比較低的區域。

了解宿主星系的結構和快速射電暴周圍的星系環境有什么科學意義呢？

以前科學家拍攝到的重復性快速射電暴的宿主星系，無論是來自比銀河系小得多的矮星系，還是類似于銀河系的旋渦星系，快速射電暴大都位于大量年輕恒星的密集誕生地附近。為此，有科學家提出假說認為，快速射電暴可能與大質量恒星極端爆炸導致的超亮超新星或伽馬射線暴后形成的年輕磁星有關。

“但我們的研究表明，此次重復暴事件處在一個比較普通的星系環境里。”東蘇勃說，這意味著這個重復暴的星系環境不支持上述假說。

在發表于《自然—通訊》的研究中，王發印與合作者基于觀測數據對FRB 20201124A的潛在動力來源進行了建模分析。

迄今，科學家建立的快速射電暴起源的模型已有60多個，如磁星、中子星并合或中子星和小行星碰撞等。2020年，中外科學家首次確定銀河系內的快速射電暴FRB 200428起源于磁星；但大多數快速射電暴來自銀河系外，它們的起源仍未得到驗證。

王發印和合作者分析發現，FRB 20201124A周圍環境貢獻的法拉第旋轉會改變符號，表明其周圍的磁場改變了方向，該現象與銀河系內PSR B1259-63/LS 2883雙星相似。“這表明，它可能來自一個磁星和Be星（光譜中有明顯的氫發射線的B型恒星）組成的雙星系統。”他對《中國科學報》說。

他們還發現，該事件是第一個具有圓偏振和持續時間最長的重復快速射電暴。“一般射電暴平均時間只有幾毫秒，這次可以達到15毫秒左右，高出一個量級。”王發印對比說，這可能是由于快速射電暴的輻射穿過Be星盤時，與盤上的電子發生的散射導致快速射電暴的持續時間變長。此外，其法拉第旋轉量存在顯著變化，并伴有退偏振現象，這可能是由于盤上物質和磁場不均勻，導致不同視線方向的法拉第旋轉值不同而產生的。

據介紹，該模型可以解釋最新發現的其他3個快速射電暴的法拉第旋轉演化（FRB 190520B、FRB 180916和FRB 220529）。“這個模型對一部分快速射電暴可能起源于雙星系統給出了強有力的證據，對這個領域有非常重要的價值。”一位審稿人評價說。

向真相逼近

2007年第一個快速射電暴被發現以后，曾有科學家估算，每10年才能看到一個射電暴。但過去幾年，大視場望遠鏡系統性、大規模的發展使得這個研究領域的變化一日千里，全球已發表的快速射電暴已有數百個，已發現的實際上已經達到上千個。

“得益于FAST 這個大國重器，過去幾年，中國科學家在快速射電暴研究領域不斷獲得新的發現，一直活躍在世界前沿。”朱煒瑋說。

不過，他表示，還有很多問題等待回答。例如FRB的起源究竟是什么？為何會產生如此多的爆發現象？這需要將天文觀察和理論建模相結合，不斷發現新的現象和可能性，一步步逼近真相。

為實現這個目標，李柯伽表示，除了FAST外，“慧眼”硬X射線空間望遠鏡、“天籟”望遠鏡實驗陣列等基礎設施將逐步解決天文觀測中多波段觀測能力不足的問題。“期待我們這近百人的合作團隊能夠依托FAST，牽引更多國際聯合觀測，在未來幾年產出更多重要成果，找到真正來源，為了解這種劇烈天體物理現象作出貢獻。”他說。

王發印則建議加強快速射電暴研究人才的培養。他告訴記者，目前這一領域大多數研究者是從脈沖星研究轉過來的，人才隊伍整體力量仍然不足。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05071-8

https://doi.org/10.1038/s41467-022-31923-y

來源：中國科學報