中國天眼FAST重****現(xiàn)！為研究快速射電暴起源提供關鍵證據(jù)，或?qū)ξ锢韺W和天文學產(chǎn)生革命性影響

3 月 18 日，“中國天眼” FAST 相關論文再發(fā) Science。審稿人表示該成果“激動人心”，并“對理解快速射電暴有著巨大幫助”。

圖 | 相關論文（來源：Science）

據(jù)悉，該工作由之江實驗室和國家天文臺等國內(nèi)外團隊聯(lián)合完成，他們觀察并計算出快速射電暴（Fast Radio Burst，F(xiàn)RB）的起源證據(jù)。期間對 5 個快速射電暴加以測量，并對國際最新成果進行總結(jié)，最終獲得 21 個快速射電暴樣本。這些樣本中的重復快速射電暴，均滿足此次提出的相關理論解釋。

（來源：之江實驗室）

作為一種能量極強的射電波段的電磁波爆發(fā)，快速射電暴的電磁波波長由短到長分別包括：伽馬射線、X 射線、紫外線、可見光、紅外線、微波、無線電波等。其中，射電波段主要包含無線電波、微波，頻率在 30MHz-300GHz。

作為一種全新的天體物理現(xiàn)象，對于快速射電暴的產(chǎn)生原因，此前已有多種解釋，但沒有一種得到普遍公認?？梢哉f，精確測量快速射電暴偏振性質(zhì)（偏振指的是橫波振動矢量、偏于某些方向的現(xiàn)象），將極大幫助我們理解快速射電暴環(huán)境和其起源。如能弄清其產(chǎn)生機制，或?qū)ξ锢韺W和天文學產(chǎn)生革命性影響。

據(jù)悉，通過智能計算即可深度挖掘 FAST 高時頻的宇宙信號采樣數(shù)據(jù)，從而探測迄今為止世界最短時標的天體輻射現(xiàn)象，進而探索宇宙的“時間前沿”無人區(qū)，最終明確并理解 FRB 起源。

在該研究中，科學家借助 FAST 的高靈敏度優(yōu)勢、以及快速射電暴的豐富觀測資源，為構(gòu)建完整的快速射電暴起源模型奠定了重要觀測基礎。

相關論文題為《重復快速射電暴的偏振頻率關系對其起源的揭示》（Frequency-dependent polarization of repeating fast radio bursts-implications for their origin），之江實驗室智能計算平臺研究中心的馮毅擔任論文第一作者。

圖 | 馮毅（來源：馮毅）

故事從“遙遠的爆發(fā)”講起

該研究的大背景要從 2007 年說起。當年，射電天文學家、西維吉尼亞大學物理與天文學系教授鄧肯·洛里默（Duncan Lorimer）和團隊首次發(fā)現(xiàn)快速射電暴之后。自此，該天體物理現(xiàn)象便成為天文學領域的研究熱點。

快速射電暴，指的是發(fā)生在遙遠宇宙中的無線電波大爆發(fā)，盡管持續(xù)時間僅有幾毫秒，卻能產(chǎn)生等同于太陽在一整天內(nèi)釋放的能量。實驗觀測中發(fā)現(xiàn)，一些快速射電暴會重復爆發(fā)。

而之江實驗室團隊此次利用偏振頻率演化關系，研究了快速射電暴的周邊環(huán)境，并首次提出能解釋重復快速射電暴偏振頻率演化的統(tǒng)一機制，為區(qū)分重復快速射電暴起源的眾多理論模型，提供了關鍵性觀測證據(jù)。論文指出，重復快速射電暴處于類似超新星遺跡的復雜環(huán)境中。

那么，什么是超新星遺跡？它指的是在演化臨近尾聲時，部分恒星所經(jīng)歷的一種劇烈爆炸。爆炸所發(fā)的光芒超級明亮，這到底能有多亮？據(jù)悉，期間突然發(fā)生的電磁輻射往往能照亮恒星所在的整個星系，并且有時持續(xù)數(shù)周、乃至數(shù)月才會漸漸衰減。

過程中，僅一顆超新星所釋放的輻射能量，就和太陽一生所輻射能量的總和相當。通過爆炸，恒星能以高至十分之一光速的速度，把幾乎所有物質(zhì)向外拋散，還會把激波輻射到周圍星際物質(zhì)上。在激波的作用下會形成超新星遺跡，結(jié)構(gòu)上呈殼狀，由膨脹氣體和塵埃構(gòu)成。

在超新星遺跡外殼內(nèi)，人們發(fā)現(xiàn)了另一個星云：脈沖星風云，它由中央脈沖星產(chǎn)生的風驅(qū)動著。作為高速轉(zhuǎn)動的強磁場中子星，脈沖星風云誕生于大質(zhì)量恒星壽命晚期發(fā)生超新星爆發(fā)之時，其半徑僅有大約 10 千米，典型磁場約為一萬億高斯，約為地球磁場的兩萬億倍。

此前，對于宇宙深處的“神秘信號”起源，學界已有諸多理論推測——磁星巨耀發(fā)、脈沖星的巨脈沖、中子星穿越小行星帶、雙黑洞并合……由于這些天體活動會產(chǎn)生巨大能量，故均被認為是快速射電暴的可能起源。

圖 | 快速射電暴起源推測（來源：國際射電暴領域知名科學家、荷蘭射電天文臺首席天文學家、阿姆斯特丹大學教授杰森·赫塞爾斯（Jason Hessels））

要想找到宇宙深處的快速射電暴源頭并不容易，馮毅表示，基于現(xiàn)有的天文設備條件，銀河系外的起源細節(jié)很難被直接觀測到。

原因在于，大多數(shù)快速射電暴只在射電波段有信號，這意味著無法通過多波段的觀測去獲取額外信息。而過去的研究方法，是以“守株待兔”的方式去確認對應體，但是鑒于距離過于遙遠，就算探測到爆發(fā)也很難明確快速射電暴的基礎物理機制。

“中國天眼” FAST 和美國綠岸望遠鏡齊“上陣”

當快速射電暴信號在傳播時，周邊星際介質(zhì)會影響到偏振這一特征，這時就能借助分析快速射電暴的偏振等特征，去對它的輻射機制做以限制，從而推測它所穿過的介質(zhì)的磁感應強度、以及電子數(shù)密度等信息。

定下解決思路之后，就得落實到實驗。隨后，該團隊利用射電望遠鏡“中國天眼” FAST 和美國 GBT（Green Bank Telescope，綠岸望遠鏡），去分析重復快速射電暴脈沖的偏振特征。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當重復快速射電暴具備樣本集中的特點時，均表現(xiàn)出低頻線的偏振度低、高頻線的偏振度高的特征。這一頻率演化關系證明：樣本集中的快速射電暴暴源所處環(huán)境非常復雜，兼具極強的磁場和極高的電子數(shù)密度，而這和超新星遺跡、以及脈沖星風云的環(huán)境特征恰好吻合。這意味著，超新星遺跡和脈沖星風云等環(huán)境中，極有可能存在快速射電暴。

圖 | 重復快速射電暴偏振頻率演化關系。不同顏色的線代表不同的快速射電暴的偏振隨頻率演化關系曲線，每條線僅用一個參數(shù) σRM 擬合。σRM 越大代表快速射電暴所處的環(huán)境越復雜（來源：Science）

如上圖所示，重復暴的線偏振度呈現(xiàn)出隨頻率降低而降低的趨勢。對于該頻率演化關系，可通過單一參數(shù)“RM 彌散（σRM）”對其進行量化描述。通過描述結(jié)果，研究人員排除了通道內(nèi)混淆模型、以及基于輻射區(qū)磁層高度變化的脈沖星偏振內(nèi)稟頻率演化模型等其他解釋。

基于此，該團隊與云南大學中國西南天文研究所楊元培教授、美國普林斯頓大學天體物理科學系魯文賓博士、美國內(nèi)華達大學物理與天文學系張冰教授等人，合作構(gòu)建出基于多路徑散射的介質(zhì)模型，借此對輻射區(qū)的空間尺度、密度漲落、磁場構(gòu)型等重要物理性質(zhì)做以進一步約束。

1652 個爆發(fā)和 100% 線偏振

馮毅表示，該成果的產(chǎn)生基于該團隊對快速射電暴偏振性質(zhì)的長期研究。2019 年，F(xiàn)AST 在 60 小時內(nèi)探測到重復快速射電暴 FRB121102 的 1652 個爆發(fā)，這時該團隊對其偏振做以分析。但是，非常奇怪的事情發(fā)生了，他測量的 FRB121102 的線偏振是 0，但是在更高的頻段，F(xiàn)RB121102 的線偏振是 100%，這種程度的躍變很難用常理解釋。

一般而言，天文學中物理量的變化都是連續(xù)的，很難發(fā)生這種突然的從無到有的變化。這種變化引起了該團隊注意，而這也成為此次研究的開端。

由于在更早之前，馮毅等人已經(jīng)完成偏振校準，因此斷定上述 FRB121102 的測量結(jié)果是正確的。同時，隨著觀測數(shù)據(jù)和論文的增多，越來越多的快速射電暴偏振被測量出來。

2020 年，F(xiàn)AST 對于 FRB20180301A 的偏振測量的相關論文發(fā)表在 Nature 上，盡管沒有 FRB121102 從 100 到 0 的這種躍變，但是 FRB20180301A 也呈現(xiàn)出高頻線的偏振度高、低頻線的偏振度低的特征。

于是，研究人員開始猜測，這可能是重復暴的普遍規(guī)律，并嘗試用理論去解釋這該現(xiàn)象。后來，馮毅用本次 Science 論文中提出的理論去擬合觀測到的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)吻合得非常好，猜想有較高可能性是正確的。

基于此，該團隊預言重復暴 FRB20190303A 的 FAST 的波段應該是 100% 的線偏振。四個月后，他們利用 FAST 測量了 FRB20190303A 的偏振，發(fā)現(xiàn)果然是 100%。“這一結(jié)果讓我們猜想的正確性大為提高?！瘪T毅表示。

可在兩三年內(nèi)揭示 FRB 起源等關鍵問題

據(jù)介紹，馮毅本科畢業(yè)于清華大學物理系，博士畢業(yè)于中國科學院大學。其長期從事天體物理領域的科研，主要研究方向包括：快速射電暴、引力波、脈沖星、恒星形成等。

2021 年，馮毅正式加入之江實驗室，擔任智能計算平臺研究中心研究專家，為之江實驗室科研攻關項目“天文大數(shù)據(jù)智能計算與服務平臺”子課題負責人。

據(jù)悉，該項目依托國家大科學裝置“中國天眼” FAST，利用 FAST 歷史最強絕對靈敏度，對射電觀測數(shù)據(jù)做以深度挖掘和智能挖掘，以期引領全球宇宙 “時間前沿”瞬變天體物理的研究，同時構(gòu)建天文大數(shù)據(jù)服務平臺，服務國內(nèi)國際天文學研究。

另據(jù)悉，之江實驗室正研究打造基于 FAST 的天文智能計算平臺，將結(jié)合智能計算和 AI 技術，以加速天文研究。

馮毅表示，后續(xù)結(jié)合 FAST 的持續(xù)深度監(jiān)測和其他先進設備，或可在兩三年內(nèi)揭示 FRB 起源等關鍵問題，比如重復暴和非重復暴是否有統(tǒng)一的起源。

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參考:

1、Feng, Y., Li, D., Yang, Y. P., Zhang, Y., Zhu, W., Zhang, B., ... & Zhang, L 2022，F(xiàn)requency-dependent polarization of repeating fast radio bursts-implications for their origin，Science, 375 (6586), 1266. DOI: 10.1126/science.abl7759