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银河系磁星SGR 1935+2154是快速射电暴FRB200428的起源

银河系磁星SGR 1935+2154是快速射电暴FRB200428的起源

银河系磁星SGR 1935+2154是快速射电暴FRB200428的起源(磁星释放的快速射电暴 李柯伽绘)

(神秘的地球uux.cn报道)据中国科学报(冯丽妃): 快速射电暴是宇宙中的一种无线电波瞬间爆发,持续时间通常只有几毫秒,却能释放出相当于太阳一天甚至一年内释放的能量。它们往往“神龙见首不见尾”,出现一次,便再无踪迹。作为近年来天文学界新晋“网红”,国际科学界对快速射电暴的起源提出了数十种“合理解释”,如强磁场中子星、高度活跃的星系内核、天体之间的相互碰撞,甚至不乏科学家提出它们是外星文明发出的讯号。

但直接观测证据一直缺乏。

11月5日,在发表于《自然》的3篇论文中,中外科学家通过多个卫星及地面望远镜的观测认为,银河系内的一颗磁星是今年观测到的一个快速射电暴的起源。

这是人类首次确定一个快速射电暴的起源,也是首次在银河系内观测到快速射电暴。

磁星“引擎”获证实

今年4月28日,一个无线电信号快速地划过宇宙,被加拿大氢强度测绘实验(CHIME)望远镜和美国瞬态天文射电发射测量2号(STARE2)望远镜捕捉到。

根据发现时间,它被命名为“FRB200428”。

尽管它只闪烁了千分之一秒,科学家还是通过多个频段的测量确定了其来源——银河系内正处于活跃期的一颗磁星SGR 1935+2154。

长期以来,关于快速射电暴的来源,科学家一直有不同的推测。

其中,磁星驱动理论受到广泛支持。磁星是高度磁化的年轻中子星(超新星爆炸后的致密星遗迹),表面磁场可超过1014高斯,其衰变据认为能够给射电暴、X射线、γ射线等一系列高能现象提供动力。

以此次发现的活跃磁星为例,CHIME团队的Daniele Michille表示,它的磁场强到足以“把一个原子挤压成铅笔状”。

那么,这次发现是否说明快速射电暴全部来源于磁星呢?美国内华达大学拉斯维加斯分校教授张冰在接受《中国科学报》采访时表示,一个极端看法是宇宙中所有的快速射电暴都是由磁星产生的;另一个则是不否定“大自然的创造力”,存在不止一个起源。

据介绍,快速射电暴起源的相关模型有50多个,主流理论多指向大型致密天体,除磁星外,还有中子星碰撞、中子星与黑洞碰撞或黑洞碰撞等产生的“灾变性”快速射电暴,非主流模型则有外星文明讯号等。

不过,这些均未得到验证。

“快速射电暴模型的丰富反映了对其实测约束的缺乏,很大原因是过去发现的爆发都在银河系外,距离遥远。”中国科学院国家天文台研究员李菂告诉《中国科学报》。他与张冰及来自北师大、北大等十几家国内外单位的合作者同一天在《自然》发表了中国“天眼”500米口径球面射电望远镜(FAST)对这一磁星的监测结果。“此次河内射电爆发的发现以及包括‘中国天眼’及‘慧眼’卫星在内多个设备对其的深度观测,提供了前所未有的信息。”他说。

珍稀的河内信号

与国外科学家同步,FAST团队一直在用“天眼”密切监视着磁星SGR 1935+2154的动态。

“从4月15日到28日,我们分4个时段共计8小时监测它能否产生快速射电暴,或类似事件。”该研究第一作者、北京师范大学天文系讲师林琳在接受《中国科学报》采访时介绍。

有些遗憾的是,FAST的观测窗口错过了FRB 200428。

尽管如此,它记录了在磁星高能爆发时段,特别是29个软γ射线爆发时的灵敏监测数据,有助于了解引起快速射电暴的背景。

“磁星的高能爆发有很多,是不是所有的高能爆发都会产生快速射电暴?什么样的物理机制下才会产生?我们的观测正好给出了它产生的背景。”

该研究共同通讯作者、北京大学科维理天文与天体物理研究所副教授李柯伽说。

FAST团队的研究表明,大部分磁星会产生高能爆发,如γ射线爆发,并不会产生快速射电暴。

原因是什么呢?他们在文中讨论了几种可能性:快速射电暴的射流比高能发射更准直,它们中的大多数都错过了地球;其低频爆发光谱较窄,脱离了FAST波段范围;其超高亮度和温度辐射机制的条件不一定总能得到满足。

这是中外团队首次证明磁星可以在银河系内近距离产生快速射电暴。

STARE2团队通讯作者、美国加州理工大学的Christopher Bochenek在接受《中国科学报》采访时解释说,“如果快速射电暴来自磁星,磁星与恒星的形成有关,而银河系没有‘足够可怕’的恒星形成,这种现象就比较少”。

据了解,此次观测到的FRB200428总能量比此前观测到的河外快速射电暴的亮度低三个数量级。

专家表示,此次河内的无线电脉冲发现极大地拓展了人们的认知空间,更有利于了解这种信号背后的秘密。

国际协作 中国同步

起步晚,进步快。

快速射电暴起源及相关研究已经成为当前天文学界的新“网红”。

2001年7月,一个持续5毫秒的明亮射电暴抵达澳大利亚的Parkes望远镜,2007年,它被西弗吉尼亚大学天文学家Duncan Lorimer确认,成为当时唯一的此类爆发事件。

直到2013年发现多个信号后,天文学家才相信它是一种真正的天体物理学事件,并将其命名为快速射电暴。

据介绍,目前发现的快速射电暴已达到1000量级。

“大约每半年,人们对快速射电暴的了解就会经历一个巨大的飞跃。”张冰在同期发表于《自然》的特邀综述文章中写道,该领域的繁荣还表现在出版物和引文的稳步增长上,已经超过了伽马射线爆发领域早期的水平。

尽管如此,关于快速射电暴的起源仍有许多悬而未决的关键问题。

例如,是否所有快速射电暴都会重复?它们的动力来源是否来自磁星“引擎”之外?磁星是如何产生快速射电暴的?回答这些问题都非易事。

有利的一面是,国际天文学界正在开展日益密切的协同观测,此次发现FRB200428的起源就是一个例证。

“这说明当国际科学家团队聚集在一起,以不同的方式研究一个现象时,会让我们更深入地了解它。”

Bochenek说,除了FAST、CHIME、STARE2之外,中国的“慧眼”X射线卫星,位于中国、西班牙、新西兰的BOOTES望远镜阵列,以及美国的LCOGT 望远镜等在这一发现中也发挥了重要作用。

在国内,开放的天文学研究设备正在吸引跨研究机构和学科领域的科研人员深入合作。

“我们有世界一流的科学装置,比如FAST口径大、灵敏度高,可以看到近处更暗的和宇宙更深处的快速射电暴,这都是别人做不了的。”林琳说。

同时,从观测到数据处理再到理论解释,FAST联合观测团队中专家间的高效协作,以及该团队与“慧眼”团队的流畅沟通,也让她印象深刻。

射电暴观测项目作为一个为期5年的FAST优先重大计划今年刚刚启动,将进一步深入观测射电暴事件,探测它们的起源,追溯它们的辐射方式。

“这是一个很重要的前沿方向,对宇宙深处快速射电暴的观测,将为人们了解宇宙增添一个新工具。FAST正在作独特的重要贡献。”FAST首席科学家李菂说。

在这一方面,除“天眼”“慧眼”外,目前在建的长波段射电望远镜阵列“天籁”以及引力波探测器“天琴”“阿里”等未来也将加入快速射电暴协同观测阵列,通过多波段协同,了解这种神秘“宇宙电波”的秘密。

相关报道:中国“天眼”运行稳定 有望捕捉宇宙大爆炸原初引力波

(神秘的地球uux.cn报道)据中新网:来自中国科学院国家天文台的最新消息说,俗称中国“天眼”的500米口径球面射电望远镜(FAST)自2020年1月完成国家验收以来运行稳定可靠,已取得发现逾240颗脉冲星等系列重大科学成果,并以其当今世界最强灵敏度射电望远镜的巨大潜力,有望捕捉到宇宙大爆炸时期的原初引力波。

中国年轻科研团队林琳、张春风、王培3名博士等联合利用FAST,对银河系磁星软伽马重复暴源SGR 1935+2154进行多波段联合观测,在其发生高能暴发的同时,借助FAST超高的灵敏度对射电波段流量给出了迄今为止最严格的限制。这项研究成果说明软伽马重复暴(SGR)和快速射电暴(FRB)暴发具有较弱的相关性,磁星暴发产生FRB必须依赖于极其特殊的物理条件。该成果论文北京时间11月5日在国际著名学术期刊《自然》发表。

此前,北京大学教授、中科院国家天文台研究员李柯伽团队利用FAST探测到一例全世界目前仅有21例的快速射电暴重复爆FRB 180301,在国际上首次发现该重复爆的辐射具有非常丰富的偏振特征,显示出磁层在快速射电暴辐射机制中的作用。这一成果论文已于10月底在《自然》发表。

在最新成果论文发表前夕,中科院国家天文台4日在北京举行FAST运行情况和科学成果新闻发布会称,FAST的顺利运行使得中国相关科研团队迅速成为国际快速射电暴领域的核心研究力量,包括上述两项成果在内,基于FAST数据发表的高水平论文已达40余篇。FAST近一年虽已提供观测服务超过5200个机时,超过预期设计目标近2倍,但科学家申请观测时间的竞争激烈。

李柯伽认为,FAST观测揭示了FRB的磁层起源,已步入国际上开展FRB观测的第一梯队,必将不断带来令人振奋的科学突破。王培说,该团队最新研究结果启示磁星很可能是绝大部分FRB的起源,但不能排除其他起源的可能性,他们仍在持续FAST观测,以更好理解磁星和FRB之间的潜在关系。

中科院院士、FAST科学委员会主任武向平指出,FAST自2021年起面向全世界开放,“中国天眼”将成为“世界巨眼”,体现构建人类命运共同体的理念。

中科院国家天文台透露,FAST灵敏度现已达全球第二大单口径射电望远镜的2.5倍以上,超强灵敏度使其在射电瞬变源方面具有巨大潜力,有望在短时间内实现纳赫兹的引力波探测、捕捉到宇宙大爆炸时期的原初引力波,为研究宇宙大爆炸原初时刻的物理过程提供数据支撑。同时,FAST还有能力将中国深空探测及通讯能力延伸至太阳系边缘,满足国家重大战略需求。

中科院院士、中科院国家天文台台长常进表示,FAST验收运行以来取得的科学成果远远超过预期。FAST具有超高灵敏度,它会看到以前没有看到的宇宙现象,未来可以期待它在科学上带来很多大的惊喜。“相信未来两三年,FAST将在快速射电暴发生的物理机制研究上会得出一个完美的结论”。

相关报道:不负众望:中国天眼已发现二百四十多颗脉冲星

(神秘的地球uux.cn报道)据科技日报:11月4日,中国科学院国家天文台召开新闻发布会宣布,中国天眼(FAST)自今年1月验收以来,设施运行稳定可靠,近一年已经观测服务超过5200个机时,达到预期设计目标近2倍。截至目前,FAST累计发现脉冲星数量超过240颗,基于FAST数据发表的高水平论文达到40余篇。FAST在快速射电暴方面的研究成果5日凌晨发表在国际科学期刊《自然》杂志上。

今年2月,FAST团队克服疫情影响,正式启动科学委员会遴选出的五个“优先和重大项目”,近百名科学家开始使用并处理FAST的科学数据。

“今年4月,时间分配委员会开始向国内天文界征集自由申请项目,目前已经接到170余份申请,申请的总时间约5500个小时,实际批准1500个机时,只有30%能得到支持,可见FAST望远镜观测时间竞争相当激烈。”中国科学院院士、中国科学院国家天文台台长常进说。

FAST于2016年落成,它的反射面面积与大约30个标准足球场相当,是全球最灵敏的单口径射电望远镜,大大拓展了人类的视野,也使中国天文学家有机会走到射电天文研究的最前沿。

常进表示,FAST全新的设计理念开创了建造巨型望远镜的新模式,突破了传统全可动射电望远镜口径大约百米的工程极限,同时也带来了极大的技术挑战。

FAST巨大的反射面能根据天体的位置实时地主动调节形状,30吨的馈源舱在140米的高空、206米的范围运动,所有的控制精度要达到毫米级。巨大工程体量、超高精度要求及特殊的工作方式,使FAST面临前所未有的技术挑战。

为此,工程团队开展了一系列的技术攻关,克服了力学、测量、控制、材料、大尺度结构等领域诸多技术难题。

工程团队研制了超高耐疲劳特性的钢索,超过国内、国际相关标准规范的2.5倍;创新地采用世界上最大跨度柔性并联机器人和刚性6自由度并联机器人构成的两级调整机构,实现了馈源均方根值10毫米的高精度定位;创造性地将卫星定位、惯导和全站仪多种测量技术融合,实现了全天候、大尺度、高精度、高采样率的馈源支撑系统动态测量。

随着性能的提升,FAST科学潜力逐步显现。“FAST的灵敏度是全球第二大单口径射电望远镜的2.5倍以上,这是中国建造的射电望远镜第一次在灵敏度这个重要指标上占据到了世界的制高点,对促进我国天文学实现重大原创突破具有重要意义。”FAST运行和发展中心常务副主任、总工程师姜鹏说,超高灵敏度使其在射电瞬变源方面具有重大潜力,有望在短时间内实现纳赫兹的引力波探测、捕捉到宇宙大爆炸时期的原初引力波,为研究宇宙大爆炸原初时刻的物理过程提供数据支撑。

同时,FAST还有能力将我国深空探测及通讯能力延伸至太阳系边缘,满足国家重大战略需求。

中国天眼FAST是由人民科学家、时代楷模南仁东先生于上世纪九十年代提出构想,历时二十余年建设完成的巨型射电望远镜,前后四代数百名科研工作者前赴后继为FAST建设调试运行付出了巨大努力。

相关报道:最神秘的宇宙信号,首次确定来源

(神秘的地球uux.cn报道)据环球科学:2007年,天文学家发现了一种持续时间只有几毫秒的高能天体物理现象——快速射电暴(FRB)。10多年来,它的来源众说纷纭,甚至更加神秘。发表于《自然》的最新研究,首次明确了FRB的一个来源——今年4月,两个天文台分别观测到了银河系内一颗磁陀星的射电爆,这表明磁陀星至少是部分FRB的来源。

最近,天文学家们一直在监测着距地球3万光年处,一颗早已死亡的恒星残骸所发出的奇特高能辐射该天体属于“磁陀星”(magnetar),这是一种巨大的磁中子星。天文学家从中意外地发现了仅仅持续几毫秒的强烈射电波爆发。这也是迄今观测到的最为明亮的一次磁陀星爆发。

上述射电波爆发虽然源于我们所在的银河系,但却与一种名为快速射电暴(fast radio burst, FRB)的射电波闪变现象十分相似。FRB转瞬即逝,极为明亮。此前的观测记录尚无法确定它由什么物体发出,但它们都来自其他星系。如今的新发现确定了这颗磁陀星是一次FRB的来源,或许能够解决关于FRB起源的至少一个谜题,尽管谜底可能会引向更多谜团。

“这确实是一项突破,而不是滥用这个词。” 荷兰射电天文学研究所和阿姆斯特丹大学的杰森·赫塞尔斯(Jason Hessels)说道。此次的结果不能一下子解决所有关于FRB的问题,但可以使我们向这个目标迈出一大步。

今年4月下旬,至少有两个射电天文台发现了那次射电暴。研究团队将射电波追溯到一个高磁性中子星,也就是前文提到的那颗恒星的残骸。这颗位于银河系深处的死亡恒星名为SGR 1935 + 2154,质量是太阳的40~50倍。在大约一周的时间内,它一直在向宇宙发射高能辐射。

这是人类首次观测到伴随如此大规模伽马射线的射电暴。由于此次射电暴既明亮又短暂,如今一些天文学家把它视为研究数十亿光年以外FRB的绝佳模型。

阿姆斯特丹大学的艾米丽·彼得罗夫(Emily Petroff)表示,即便如此,要使这种微弱的联系更加明确,就需要清楚地评估该来源与先前观察到的FRB有何不同。“正如研究FRB那样,必须避免‘见树不见林’。我们需要担心的是,这个来源只是个特例。”

捕捉FRB

十多年来,FRB一直是宇宙中最难解的谜团之一。这些射电波以光速行进,通常在宇宙穿梭数十亿年之后才会被我们观测到。这意味着,释放这些射电波的天体必须十分强大。到目前为止,观测到的所有爆发均来自遥远星系。关于此现象的起源,天文学家多年来已经提出了数十种假说,其中包括正在蒸发的黑洞、爆炸中的恒星、发生碰撞的巨大天体。当然,还有一些不太正经的猜想,认为这是外星人在传输的我们听不懂的信息。

越来越丰富的观测结果使假说更加完善。天文学家观测到一些重复性的爆发,这说明其来源无论是什么,都不会在产生一次FRB后自毁。研究团队将多台望远镜对准天空中的多个位置,开始了对射电暴的实时捕捉。不久,好几次射电暴的宿主星系都被追溯到了。然而,即使天文学家已收集了数百次爆发的数据,射电暴的起源仍然被疑云笼罩。

彼得罗夫说:“我们每一次找到的新射电暴,都会与之前有所不同。我原本希望每次找到一个新的时,它都能证实我们之前所了解到的所有知识,但是现实从来不是这样的!射电暴远比我们想象的多种多样,因此我们必须更加专注。”

天文学家使用CHIME(加拿大氢强度测绘实验)射电望远镜首次发现了这次新爆发。这台位于加拿大西南部的望远镜,专门用来搜寻FRB。自2018年末启用以来,已发现了数百个此类信号。这次新爆发出现在望远镜视野的外围,但由于其十分强烈,仍然可以被轻易观测到。

“这是一次来自磁陀星的非常明亮的射电暴。”多伦多大学的保罗·舒尔茨(Paul Scholz)说道,他在“天文学家电报”网站上向CHIME团队实时报道了本次爆发事件。“这就是磁陀星与FRB之间的联系吗?有可能。”

接到通知后,加州理工学院的天文学家对他们在爆发后时间段内收集的数据进行了初步检查。他们的观测结果由位于加利福尼亚州和犹他州的三个射电天线共同收集,是STARE2(第2次瞬态天文射电发射调查)项目一部分,专门用于探测来自银河系内部的FRB。

与CHIME不同,STARE2从正面捕捉到了该事件,这使研究人员可以快速计算爆发的亮度。据他们估计,爆发如果发生在已知距离最近的银河系外FRB处(约5亿光年外),那么从地球上仍然很容易被检测到。对加州理工学院的斯里尼瓦斯·库尔卡尼(Shrinivas Kulkarni)而言,此次爆发的亮度和毫秒级的持续时长,是其与FRB的决定性关联。

STARE2项目的首席研究员库尔卡尼表示,根据这些观察结果,“FRB的一个合理起源,便是其他星系中的活跃磁陀星。如果我们等待得足够久,也许这个磁陀星甚至将会产生更明亮的爆发。”

第三个观测结果来自另一个使用了欧洲航天局的轨道INTEGRAL(国际伽马射线天体物理学实验室)观测台的团队,他们把射电暴与同时来自同一物体的X射线暴联系在一起,从而将其来源确定为磁陀星。在那之后,中国的500米口径球面射电望远镜(FAST)则探测到了SGR 1935 + 2154的另一次射电暴,这次爆发的来源也指向磁陀星。库尔卡尼说:“我敢用一年的工资打赌,就是这个来源。”

磁陀星爆发

几年来,已有多种证据将磁陀星认定为造成FRB的“罪魁祸首”。这些中子星旋转得极其迅速,并拥有极为强大的磁场,二者结合便可以产生巨大的辐射爆发。科学家还观察到,一些FRB具有强烈而“扭曲”的极化现象。这表明它们起源于或曾穿过强磁环境,比如这些死亡恒星的周围。

但答案的全貌尚未揭晓。赫塞尔斯说:“很长一段时间以来,人们一直在反驳说:‘但是我们从未见过银河系中的磁陀星有什么动静,它们的亮度甚至都称不上明亮。既然如此,其他星系中的磁陀星怎么就可以呢?’”

如今,有了这项新发现,天文学家正在仔细研究FRB和磁陀星之间的联系。“我不会说这就是最终的定论,或者这就是必不可少的中间环节,”彼得罗夫说,“但通过这项研究,我们距离找到银河系中天体与产生FRB的天体之间的联系更近了一步。”

天文学家指出,尽管此次爆发比从此前磁陀星中观测到的任何爆发都要明亮,但它的强度仍然比大多数FRB弱几个数量级。研究人员可能会首先发现较微弱的爆发,这在意料之中,因为微弱的爆发可能比非常明亮的爆发更多,正如轻微的地震比大地震更频繁一样。较强的恒星耀发(flare)也可能产生较强的射电暴。虽然罕见,但有些磁陀星可以产生强大的耀发,即使隔着遥远的星际距离,它们也能改变地球的电离层。赫塞尔斯说:“我很想知道,如果我们捕捉到了一次那样的巨型耀发,我们会看到堪比FRB那般明亮的爆发吗?”

另一个未解的谜题是,FRB是否可以具有多个不同的来源?迄今为止,观察到的大多数爆发都是独立的事件,但也有十几次有着神秘来源的爆发是反复发生的。距离我们最近(约有十亿光年)的重复性FRB被称为R3,每16天爆发一次。科学家怀疑,R3的周期性活动与锁定在其引力范围内的其他物体有关。但是,磁星SGR 1935 + 2154似乎没有任何类似的轨道同伴。

赫塞尔斯说:“我希望不仅只有一种FRB。我也希望通过更深入的研究,可以同时发现很多东西。”

相关报道:NASA和加州理工学院发现了银河系中一次快速无线电爆发的源头

(神秘的地球uux.cn报道)据cnBeta:今年4月28日发生了一件令人兴奋的事情,当时我们的星系内发生了一次强烈的x射线爆发。通常要找到宇宙中x射线射电爆发的源头是非常困难的。事实上,这一次是在银河系内发生的x射线爆发,这使得美国宇航局和加州理工学院的科学家更容易找到源头。研究人员能够确定这个来源是一个被称为磁星的超磁性恒星残骸。

这一发现证明了磁星可以产生神秘而强大的快速射电爆发(FRB),这是以前在其他星系中才发现的现象。在这一事件之前,各种各样的场景被用来解释FRB的起源。加州理工学院的博士生克里斯·博切内克(Chris Bochenek)领导了这一事件的一项研究,他说未来FRBs的故事可能会有曲折,但他相信,公平地说,在没有其他证据之前,大多数快速射电爆发来自磁星。

磁星是一种中子星,它是由一颗质量比太阳大很多倍的恒星残骸破碎而成的,大致相当于一座城市的大小。它们产生的磁场比冰箱磁铁强10万亿倍,比典型中子星强上千倍。同步爆发的X射线部分被多颗卫星探测到,其中包括美国宇航局的相关任务。FRB的射电部分是由加拿大氢强度测绘实验(CHIME)发现的,CHIME是不列颠哥伦比亚省的一个射电望远镜。美国宇航局(NASA)资助的一个名为“瞬态天文射电辐射2号(STARE2)”的项目也探测到了无线电爆发。星际2号也探测到了无线电脉冲。

该项目的多名研究人员能够确定爆炸的能量与FRB相当。据信发生FRB的磁星被称为sgr1935+2154,位于Vulpecula星座。每次发射的x射线爆发持续不到一秒,而产生它们的风暴肆虐了数小时。




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