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

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

圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Science）

據(jù)悉，該工作由之江實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家天文臺(tái)等國(guó)內(nèi)外團(tuán)隊(duì)聯(lián)合完成，他們觀察并計(jì)算出快速射電暴（Fast Radio Burst，F(xiàn)RB）的起源證據(jù)。期間對(duì) 5 個(gè)快速射電暴加以測(cè)量，并對(duì)國(guó)際最新成果進(jìn)行總結(jié)，最終獲得 21 個(gè)快速射電暴樣本。這些樣本中的重復(fù)快速射電暴，均滿足此次提出的相關(guān)理論解釋。

（來(lái)源：之江實(shí)驗(yàn)室）

作為一種能量極強(qiáng)的射電波段的電磁波爆發(fā)，快速射電暴的電磁波波長(zhǎng)由短到長(zhǎng)分別包括：伽馬射線、X 射線、紫外線、可見(jiàn)光、紅外線、微波、無(wú)線電波等。其中，射電波段主要包含無(wú)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(duì)于快速射電暴的產(chǎn)生原因，此前已有多種解釋，但沒(méi)有一種得到普遍公認(rèn)?？梢哉f(shuō)，精確測(cè)量快速射電暴偏振性質(zhì)（偏振指的是橫波振動(dòng)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(jī)制，或?qū)ξ锢韺W(xué)和天文學(xué)產(chǎn)生革命性影響。

據(jù)悉，通過(guò)智能計(jì)算即可深度挖掘 FAST 高時(shí)頻的宇宙信號(hào)采樣數(shù)據(jù)，從而探測(cè)迄今為止世界最短時(shí)標(biāo)的天體輻射現(xiàn)象，進(jìn)而探索宇宙的“時(shí)間前沿”無(wú)人區(qū)，最終明確并理解 FRB 起源。

在該研究中，科學(xué)家借助 FAST 的高靈敏度優(yōu)勢(shì)、以及快速射電暴的豐富觀測(cè)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(cè)基礎(chǔ)。

相關(guān)論文題為《重復(fù)快速射電暴的偏振頻率關(guān)系對(duì)其起源的揭示》（Frequency-dependent polarization of repeating fast radio bursts-implications for their origin），之江實(shí)驗(yàn)室智能計(jì)算平臺(tái)研究中心的馮毅擔(dān)任論文第一作者。

圖 | 馮毅（來(lái)源：馮毅）

故事從“遙遠(yuǎn)的爆發(fā)”講起

該研究的大背景要從 2007 年說(shuō)起。當(dāng)年，射電天文學(xué)家、西維吉尼亞大學(xué)物理與天文學(xué)系教授鄧肯·洛里默（Duncan Lorimer）和團(tuán)隊(duì)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(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

快速射電暴，指的是發(fā)生在遙遠(yuǎn)宇宙中的無(wú)線電波大爆發(fā)，盡管持續(xù)時(shí)間僅有幾毫秒，卻能產(chǎn)生等同于太陽(yáng)在一整天內(nèi)釋放的能量。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，一些快速射電暴會(huì)重復(fù)爆發(fā)。

而之江實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)此次利用偏振頻率演化關(guān)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(fù)快速射電暴偏振頻率演化的統(tǒng)一機(jī)制，為區(qū)分重復(fù)快速射電暴起源的眾多理論模型，提供了關(guān)鍵性觀測(cè)證據(jù)。論文指出，重復(fù)快速射電暴處于類似超新星遺跡的復(fù)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(shí)，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(jí)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(gè)星系，并且有時(shí)持續(xù)數(shù)周、乃至數(shù)月才會(huì)漸漸衰減。

過(guò)程中，僅一顆超新星所釋放的輻射能量，就和太陽(yáng)一生所輻射能量的總和相當(dāng)。通過(guò)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(huì)把激波輻射到周圍星際物質(zhì)上。在激波的作用下會(huì)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(gè)星云：脈沖星風(fēng)云，它由中央脈沖星產(chǎn)生的風(fēng)驅(qū)動(dòng)著。作為高速轉(zhuǎn)動(dòng)的強(qiáng)磁場(chǎng)中子星，脈沖星風(fēng)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(shí)，其半徑僅有大約 10 千米，典型磁場(chǎng)約為一萬(wàn)億高斯，約為地球磁場(chǎng)的兩萬(wàn)億倍。

此前，對(duì)于宇宙深處的“神秘信號(hào)”起源，學(xué)界已有諸多理論推測(cè)——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(dòng)會(huì)產(chǎn)生巨大能量，故均被認(rèn)為是快速射電暴的可能起源。

圖 | 快速射電暴起源推測(cè)（來(lái)源：國(guó)際射電暴領(lǐng)域知名科學(xué)家、荷蘭射電天文臺(tái)首席天文學(xué)家、阿姆斯特丹大學(xué)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(shè)備條件，銀河系外的起源細(xì)節(jié)很難被直接觀測(cè)到。

原因在于，大多數(shù)快速射電暴只在射電波段有信號(hào)，這意味著無(wú)法通過(guò)多波段的觀測(cè)去獲取額外信息。而過(guò)去的研究方法，是以“守株待兔”的方式去確認(rèn)對(duì)應(yīng)體，但是鑒于距離過(guò)于遙遠(yuǎn)，就算探測(cè)到爆發(fā)也很難明確快速射電暴的基礎(chǔ)物理機(jī)制。

“中國(guó)天眼” FAST 和美國(guó)綠岸望遠(yuǎn)鏡齊“上陣”

當(dāng)快速射電暴信號(hào)在傳播時(shí)，周邊星際介質(zhì)會(huì)影響到偏振這一特征，這時(shí)就能借助分析快速射電暴的偏振等特征，去對(duì)它的輻射機(jī)制做以限制，從而推測(cè)它所穿過(guò)的介質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度、以及電子數(shù)密度等信息。

定下解決思路之后，就得落實(shí)到實(shí)驗(yàn)。隨后，該團(tuán)隊(duì)利用射電望遠(yuǎn)鏡“中國(guó)天眼” FAST 和美國(guó) GBT（Green Bank Telescope，綠岸望遠(yuǎn)鏡），去分析重復(fù)快速射電暴脈沖的偏振特征。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)重復(fù)快速射電暴具備樣本集中的特點(diǎn)時(shí)，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(guān)系證明：樣本集中的快速射電暴暴源所處環(huán)境非常復(fù)雜，兼具極強(qiáng)的磁場(chǎng)和極高的電子數(shù)密度，而這和超新星遺跡、以及脈沖星風(fēng)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(fēng)云等環(huán)境中，極有可能存在快速射電暴。

圖 | 重復(fù)快速射電暴偏振頻率演化關(guān)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(guān)系曲線，每條線僅用一個(gè)參數(shù) σRM 擬合。σRM 越大代表快速射電暴所處的環(huán)境越復(fù)雜（來(lái)源：Science）

如上圖所示，重復(fù)暴的線偏振度呈現(xiàn)出隨頻率降低而降低的趨勢(shì)。對(duì)于該頻率演化關(guān)系，可通過(guò)單一參數(shù)“RM 彌散（σRM）”對(duì)其進(jìn)行量化描述。通過(guò)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(tuán)隊(duì)與云南大學(xué)中國(guó)西南天文研究所楊元培教授、美國(guó)普林斯頓大學(xué)天體物理科學(xué)系魯文賓博士、美國(guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)物理與天文學(xué)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(duì)輻射區(qū)的空間尺度、密度漲落、磁場(chǎng)構(gòu)型等重要物理性質(zhì)做以進(jìn)一步約束。

1652 個(gè)爆發(fā)和 100% 線偏振

馮毅表示，該成果的產(chǎn)生基于該團(tuán)隊(duì)對(duì)快速射電暴偏振性質(zhì)的長(zhǎng)期研究。2019 年，F(xiàn)AST 在 60 小時(shí)內(nèi)探測(cè)到重復(fù)快速射電暴 FRB121102 的 1652 個(gè)爆發(fā)，這時(shí)該團(tuán)隊(duì)對(duì)其偏振做以分析。但是，非常奇怪的事情發(fā)生了，他測(cè)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(xué)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(wú)到有的變化。這種變化引起了該團(tuán)隊(duì)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(zhǔn)，因此斷定上述 FRB121102 的測(cè)量結(jié)果是正確的。同時(shí)，隨著觀測(cè)數(shù)據(jù)和論文的增多，越來(lái)越多的快速射電暴偏振被測(cè)量出來(lái)。

2020 年，F(xiàn)AST 對(duì)于 FRB20180301A 的偏振測(cè)量的相關(guān)論文發(fā)表在 Nature 上，盡管沒(méi)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(cè)，這可能是重復(fù)暴的普遍規(guī)律，并嘗試用理論去解釋這該現(xiàn)象。后來(lái)，馮毅用本次 Science 論文中提出的理論去擬合觀測(cè)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(tuán)隊(duì)預(yù)言重復(fù)暴 FRB20190303A 的 FAST 的波段應(yīng)該是 100% 的線偏振。四個(gè)月后，他們利用 FAST 測(cè)量了 FRB20190303A 的偏振，發(fā)現(xiàn)果然是 100%?！斑@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(guān)鍵問(wèn)題

據(jù)介紹，馮毅本科畢業(yè)于清華大學(xué)物理系，博士畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院大學(xué)。其長(zhǎng)期從事天體物理領(lǐng)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(shí)驗(yàn)室，擔(dān)任智能計(jì)算平臺(tái)研究中心研究專家，為之江實(shí)驗(yàn)室科研攻關(guān)項(xiàng)目“天文大數(shù)據(jù)智能計(jì)算與服務(wù)平臺(tái)”子課題負(fù)責(zé)人。

據(jù)悉，該項(xiàng)目依托國(guó)家大科學(xué)裝置“中國(guó)天眼” FAST，利用 FAST 歷史最強(qiáng)絕對(duì)靈敏度，對(duì)射電觀測(cè)數(shù)據(jù)做以深度挖掘和智能挖掘，以期引領(lǐng)全球宇宙 “時(shí)間前沿”瞬變天體物理的研究，同時(shí)構(gòu)建天文大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，服務(wù)國(guó)內(nèi)國(guó)際天文學(xué)研究。

另?yè)?jù)悉，之江實(shí)驗(yàn)室正研究打造基于 FAST 的天文智能計(jì)算平臺(tái)，將結(jié)合智能計(jì)算和 AI 技術(shù)，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(cè)和其他先進(jìn)設(shè)備，或可在兩三年內(nèi)揭示 FRB 起源等關(guān)鍵問(wèn)題，比如重復(fù)暴和非重復(fù)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