中國慧眼衛星證實快速射電暴來自磁星


中國慧眼衛星最新觀測結果:首次發現並證認了神秘的快速射電暴(Fast Radio Burst,簡稱 FRB)來自銀河系內的一顆磁星,破解了快速射電暴的起源之謎!

快速射電暴是2007年發現的一種神秘的天文現象,指在射電波段突然出現的瞬時爆發。把這個名詞分解為三個關鍵詞,一個是「射電」,指爆發出現在無線電波段(肉眼不可見);第二個是「快速」,通常持續時間僅幾毫秒;第三個就是「暴」,是指突然出現的十分劇烈的能量釋放,天文學家估計1毫秒的快速射電暴平均能量相當於太陽在幾天裡產生的能量總和。有的射電暴只出現一次,有的則會重複出現。

然而,快速射電暴的產生機制及其源頭是當今天文學最大的謎題之一。由於它們存在極強的隨機性和爆發性,甚至有人認為這是宇宙中相當為高級的神秘外星文明在使用某種黑科技時所釋放出來的。當然,在絕大多數科學家眼中,外星人說恐怕只能作為最後一個選項。考慮到射電暴是一種能量十分集中的電磁波,應當伴隨著強大的磁場,研究人員認為像中子星、磁星、黑洞、類星體、超新星這種極端的天體都有可能產生快速射電暴。於是,已經先後有五十多種物理模型提了出來。

要弄清快速射電暴產生的根本原因,關鍵有兩點:第一是要找到其對應的天體,第二是看到快速射電暴在其它電磁波段的輻射,如X射線、γ射線等,這樣就能更好地描述其物理機制。自從快速射電暴被發現後至今,總共只發現了約四十個,絕大部分為銀河系外遙遠的星系中,始終沒能找到真正的源頭。

時間回到2020年4月中旬,距離地球3.1萬光年的一顆磁星 SGR J1935+2154 進入了新的活躍期。磁星,被認為是中子星中的一種,它是個極其緻密的天體,直徑只有約20公里,但質量卻能達到太陽的3倍,自轉速度也非常快,表面磁場強度為地球磁場強度的百兆倍(10^14 )以上。這顆磁星SGR J1935+2154的磁場強度為就在220兆高斯左右。它位於銀河系中的一處超新星遺跡中,自轉一周僅需3.24秒。自從2014年發現後不久,它便引發天文學家的廣泛關注,因為它是最活躍的磁星之一,在2015年2月、2016年5月至7月、2019年11月都有過活動記錄,而理論物理學家認為磁星是快速射電暴的主要候選者之一。

4月27日,尼爾·格雷爾斯雨燕天文台(Neil Gehrels Swift Observatory)記錄到多次軟γ射線暴,甚至在短短2分鐘內出現了上百次的爆發,其來源高度疑似銀河系內的磁星 SGR J1935+2154 。收到尼爾·格雷爾斯雨燕天文台的警報後,全球天文學家積極行動起來,紛紛把天線和空間望遠鏡對準了它。28日7時55分至8時50分,短短一個小時內,費米伽瑪射線太空望遠鏡(Fermi Gamma-ray Space Telescope)記錄到多達34次X射線或軟γ射線的爆發。

4月28日上午10點左右,北京師範大學林琳老師向慧眼衛星首席科學家張雙南研究員建議,利用慧眼衛星進行觀測。上午11點左右,中國科學院空間科學地面運控系統發出指令,中斷了慧眼衛星正在進行的觀測任務,轉而瞄準 SGR J1935+2154,將極為珍貴的28.6小時的望遠鏡時間用於專項觀測。就在對過去5個小時後,28日晚間22時34分24秒(協調世界時14時34分24秒),慧眼衛星就記錄到一次明亮的X射線暴!

此時,在地球的另一端,加拿大氫強度繪圖實驗(Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment,簡稱 CHIME)和美國瞬現源天文射電巡天(Survey for Transient Astronomical Radio Emission 2,簡稱 STARE2)兩個實驗項目同時捕捉到了一個亮度極高的快速射電暴,命名為 FRB 200428。

由於X射線與射電能量不同,射電訊號在行徑過程中容易受到星際物質的影響,速度慢於X射線,會出現一定的延遲現象。而實際觀測顯示,慧眼衛星觀測到的X射線比加拿大氫強度繪圖實驗和美國瞬現源天文射電巡天觀測到的快速射電暴 FRB 200428 早8.6秒出現,與其色散延遲的預期完全一致。這進一步支持了兩者有著相同物理來源的判斷。

不僅如此,慧眼衛星還繪製了X射線能譜,確定該事件不符合熱輻射特徵。然而很許多天體,如中子星、類星體、星際分子射電源的輻射譜形等特徵與熱輻射有著明顯區別,它們被稱為非熱輻射源。而非熱輻射恰恰是快速射電暴的特徵,所以這更加肯定了兩個事件的必然聯繫。但是非熱X射線輻射在磁星中並不多見。

加拿大氫強度繪圖實驗團隊與美國瞬現源天文射電巡天團隊都對快速射電暴 FRB 200428 做了定位。然而它們都是做大天區掃描或巡天觀測的,無法精確定位到很小的範圍,只能做出一個推斷:這樣強度的射電暴應當是銀河系內的,而在捕捉到快速射電暴訊號的時候,視場中最有可能的活躍分子就是磁星 SGR J1935+2154。

慧眼衛星則具備一項特異功能。雖然它是X射線望遠鏡,雖然它不是可成像的X射線望遠鏡,但是它具有獨特的准直器設計,可以對X射線暴進行高精度定位。准直器就可以通過X射線高能粒子在不同方向上的流量,運用數學方法倒推出源的方向。慧眼衛星找到的位置與 SGR J1935+2154 只差了3.7角分,相當於1/8滿月的寬度,並且當時它的視場中只有這一個X射線源。至此,產生2020年4月28日這次X射線暴和快速射電暴的源頭鎖定,就是磁星 SGR J1935+2154。

這次確認了快速射電暴的起源天體,也是首個起源於銀河系內的快速射電暴。對於理解快速射電暴的物理本質,無疑是個重要的里程碑。

【圖:自然期刊;文:節錄自天文茶餐廳網頁;新聞訊息由林景明提供】研究全文刊登在2021年2月18日出版的《自然-天文學》期刊


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