“中国天眼”的新发现结束了天文学界多年的争论

“中国天眼”的新发现 终结天文界持续多年的一场争论

快速无线电风暴是浩瀚宇宙中无线电波瞬间爆发的现象，持续时间非常短，通常只有几毫秒。他们往往是“龙见首不见尾”。一旦出现就没有痕迹了。

近十几年来，天文学家一直在收集相关信息，就是为了搞清楚真相：这种无线电波是谁发出的？闪得那么快的无线电波包含了什么信息？

10月29日和11月5日，科学家利用500米球形射电望远镜(FAST)在国际科学期刊《自然》上发表了两项关于快速射电爆发的研究成果，该期刊被称为“中国之眼”的大锅，并“看到”了一些关于这种毫秒级射电波起源的线索。

几毫秒释放地球上几百亿年的发电量

2007年，当天文学家分析澳大利亚64米射电望远镜在2001年记录的信号时，他们第一次发现了这种毫秒波。这是一种持续时间很短的非常明亮的无线电脉冲辐射。科学家称这种毫秒级的闪光无线电波为快速无线电脉冲。

不要低估这几毫秒。虽然存在时间很短，但能量极高。在几毫秒内，它就能以无线电波的形式完全释放出地球上数百亿年的发电量。

“我们相信快速射电爆发是由自然天体物理过程产生的。根据探测的辐射特征和观测特征，我们认为它应该来自磁层的磁层。”北京大学教授、中国科学院国家天文台研究员李克佳说。

万磁王是宇宙中一种致密的天体，周围有特别强的磁场。

事实上，关于快速无线电脉冲起源的主要理论假设可以分为两组。一派认为它来自磁星的磁气圈；还有人认为，一些致密的天体会产生冲击波，而快速的射电爆发是由冲击波相互作用驱动的辐射所衍生出来的。

然而，这些理论仍然只是假设，快速无线电脉冲的来源仍然是个谜。为什么这么难找到根本原因？“快速无线电脉冲在几毫秒内消失，这很难捕捉。因此，这个问题几乎是天文学中最困难的问题之一。”中国科学院国家天文台研究员韩金林说。

经过大约10年的探索，天文学家已经收集了大约150个快速射电爆发的来源。通过测量穿过星系间和银河介质的信号的影响，我们可以得出结论，大多数这些源不在银河系中。

2017年，天文学家捕捉到了一个毫秒级的射电爆发，在几个小时内重复了几次。天文学家们利用世界各地的几架大型射电望远镜，在距离地球30亿光年的一个星系中，联合探测并快速定位了这次反复快速射电爆发的爆炸源。

为两大派系理论争锋一锤定音

过去，由于我国没有大型射电望远镜，中国天文学家无法获得第一手资料，所以在这个前沿领域，他们大多侧重于理论研究。

FAST在检测快速无线电脉冲方面具有无可比拟的优势。“中国天眼”的接收面积非常大，超高的灵敏度使它能够看到其他望远镜看不到的微弱脉冲辐射。”李克佳说。

2019年，天文学家使用FAST观测到一个爆炸源FRB 180301。2018年3月1日，澳大利亚首次检测到该爆发源。研究人员希望确定这一爆发源是否会重复爆发。幸运的是，2019年7月16日，在两个小时的观察中，研究小组果然检测到了4起疫情。

然而，在9月11日的4小时观察中，研究小组没有检测到任何信号。经过研究，他们发现澳大利亚报告的爆炸源位置有误差，然后调整观测策略，调整望远镜对准位置，记录极化信号。2019年10月6日和7日，FAST在6小时内检测到11起疫情。

据统计，在12小时的总观测时间内，FAST共检测到15次爆发，每次射电闪光的强度曲线也有所不同。“这个爆发源和30亿光年外的爆发源差不多，无线电爆发率也差不多，只是强度弱很多。”韩金林说。

更重要的是，观察到FRB 180301的极化行为具有复杂的多样性。

“现在，我们观察到一种新的快速无线电重复脉冲。通过对11个脉冲的高灵敏度极化信号的分析，我们发现每个脉冲的极化特征是不同的。FAST观测到的极化变化的多样性清楚地表明，宇宙中快速射电爆发的来源可能来自致密的天体磁层中的物理过程。”韩金林说，这一观察直接否定了国际上一批学者关于快射电爆发来自粒子碰撞的理论，对这几年两大派别的理论做出了最终的决定。

“与地球类似，磁星也形成磁气圈。我们这次的观察是最直接的证据，证明快速射电爆发起源于磁层。”李克佳说。

追踪到磁星与快速射电暴之间的联系

2020年4月，北师大林琳博士提出用FAST观测银河系磁星SGR J1935 2154的软伽马射线重复爆发源(SGR)的申请。经过批准，研究人员使用FAST的L波段19波束接收器连续监控SGR J1935 2154。在SGR J1935 2154的X射线和软伽马射线爆发的活跃期，特别是在对应于29个软伽马射线爆发的精确时间节点，没有探测到无线电脉冲辐射。

凭借FAST的超高灵敏度，结合加拿大氢强度测绘实验(CHEM)望远镜和临时射电天文辐射测量2号(STARE-2)的前期探索，FAST实现了8个数量级亮度空间的覆盖，并给出了银河系中这种快速射电爆发源最严格的射电流量限制。

磁星是高度磁化的特殊致密物体。4月28日，加拿大氢强度测绘实验望远镜首次在银河系磁星SGR J1935 2154上探测到明亮的毫秒射电爆发FRB 200428，并追踪了磁星与快速射电爆发之间的关系。

本次FAST观测结合了费米卫星伽玛暴监测仪(费米-GBM)、光学BOOTES望远镜、Insight-HXMT卫星硬X射线调制望远镜等国际多波段设备。FAST的测量结果对研究快射电爆发的起源和物理机制具有重要意义。观测结果表明，快速射电爆发与软伽马射线的重复爆发之间存在微弱的相关性。

“这可能有几个原因：一是快射电爆发可能具有高相对论和特殊几何构型的集群效应；另一种是FAST无线电暴露谱可能很窄，大部分远离FAST观测波段；此外，可能与软伽马射线爆发有关的快速无线电爆发是特殊的。”中国科学院国家天文台的王佩博士说，在未来，应该进一步观察银河系中更快速的射电爆发，以确定哪种解释更接近正确答案。

相关链接

磁星：宇宙中的磁场“怪物”

磁铁矿是一种具有超强磁场的中子星，其表面磁场比目前人类实验室能产生的最强磁场强几亿倍。科学家们认为，当两颗相互环绕的中子星合并时，将形成一个新的质量更大的致密天体。如果这个新天体的质量超过中子星的上限，那么天体内部物质的压力将难以对抗天体本身的引力，使天体直接坍缩成黑洞。然而天文学家认为，它很可能会在坍缩前形成一个更有趣的天体——。

1992年，天文学家罗伯特邓肯和克里斯托弗汤普森首次预言了这个神奇的天体，磁星理论逐渐被人们所接受。但是磁星很少，天文学家也不确定它的磁场为什么这么强。一种观点认为，如果中子星旋转，使其温度和磁场完美结合，就会像发电机一样把磁场放大一千倍。