可重复的快速射电暴？犹抱琵琶半遮面？琵琶有多大？

发布者：闲云悠雨 2023-5-3 20:11

可重复快速射电暴？是第二种FRBs吗？宇宙的尺度可以用FRBs来丈量吗？

FRB190520——人类已知的罕见的第二种可重复快速射电暴

上图为一种具有极强磁场的中子星的艺术概念图，这种中子星也叫磁陀星。其中红色部分是它的无线电信号。磁陀星是否能产生快速射电暴（FRB）？——图片来源Bill Saxton/ NRAO/ AUI/ NSF.

近些年来天文学中最伟大最不寻常的宇宙观测现象之一就是——2007年首次被发现的快速无线射电暴发，即射电暴（FRBs）。当时这个现象让科学家更多的联想到脉冲星，因为同样都是快速暴发发射出了剧烈的电磁波。大部分被观测到FRBs的位置都位于银河系之外。暴发也极其短暂、强烈。同时，天文学家还发现大部分的快速射电暴都只被观测到仅仅暴发了一次。科学家发现了一个高度活跃、且重复暴发的FRB，而且在两次剧烈暴发之前会产生微弱但持续的无线电暴发的现象。这仅是科学家发现的这种连续暴发的极其偶然的射电暴的第二次暴发。

首次的暴发是被我国的FAST(500m口径球面射电望远镜在2019年捕获发现的，命名为——FRB190520。

美国科学家使用国家科学基金会的卡尔.G.詹斯基甚大阵列（VLA）以及其他望远镜进一步研究FRB并精确定位其位置。发现它其实距离我很远，位于距离太阳系大约30光年之外的一个矮星系的外沿。目前看来大部分被观测到的FRBs都在星系之间的空间内，而不在太阳系内——也就是说可以认为他们都是起源于几十亿光年以外。

罕见的重复快速射电暴

2019年5月20日，天文学家首次观测并记录了FRB190520的第一次大暴发。经过随后的观察研究表明，这个FRB是少数已知的重复FRBs之一。同时它也是第二个被观测到的重复FRB，并且在两次主要的射电暴发之间会有持续的流强较弱的微弱暴发。这些现象都让科学家对FRB的好奇心更加强烈，关于FRB的未知问题的探索也更加深入。

上图即为快速射电暴FRB190520（中间红色部分）。这是VLA做的无线电和光学叠加处理。图片来源于Niu, et al./ Bill Saxton/ NRAO/ AUI/ NSF/ CFHT.

它跟第一个可重复FRB（FRB121102）类似，几年前天文学家就已经观测计算确定了FRB121102的位置。该项目的一个主要主持人之一，加州理工的Casey Law表示：FRB190520的这些特征使它与FRB121102极其相似——都是被VLA发现的，也都是在2016年发现的。现在大家发现了两个可重复的快速射电暴了，这样就带来更多更重要的可进一步研究的问题了。

2种FRBs？

近年来，天文学家表示，他们发现目前有两种FRBs，一种可以重复暴发，另一种并不会。这其中的原因是什么？科学家依旧在努力寻找问题的根源，而FRB190520和FRB121102这样的FRBs都有助于科学家进一步探究答案。正如来自西弗吉尼亚大学（WVU）的研究生Kshitij Aggarwal所提出的问题：可重复的FRB真的与不可重复的FRB确实不同吗？中间持续的那些射电暴发呢？是不是也是一个研究方向？

研究人员提出了两种可能性假设。一种假设，可能存在两种不同机制同时作用，这样就产生了两种完全不同的FRBs。另一种假设，它们可能是同一种FRB，但是在不同的阶段呈现出不同的性质。

上图即为Casey Law，来自加州理工学院，他是关于FRB190520这篇最新论文的主要作者之一。图片来源于GitHub

所以到底哪种假设更符合观测结果。为了解释这个问题，天文学家仍然需要继续确定FRBs的起源。目前，主要的被观测的候选恒星包括两大类：超密中子星和极强磁场中子星（也被称为磁陀星）。对于究竟是哪一类，天文学界依旧存在很多争议。

快速射电暴FRB190520是新生儿吗？

根据目前的数据，研究人员认为FRB190520可能是FRB界的一个新生儿。天文学家表示，它可能来源于一颗超新星爆发后产生中子星周围包围着的气体和尘埃。随着时间的推移，气体和尘埃会逐渐消散。而随着这些的消散，这些射电暴的暴发频次也会降低。

如果这个假设是正确的，那么FRBs的相对年轻即定义为更活跃、暴发次数更多。随着时间的流逝，FRB“年龄”的增长，暴发次数会越来越少。

FRBs距离的标定

目前的这个结论主要是基于对FRB190520的观测记录和主流实验方法，该结果与色散效应相关。这是科学家常用的一种技术手段，主要是分析某种介质对远距离物质发射的不同频率电磁波传播特性的影响。这种数据分析方法为科学家提供了更多的有关介质组成的信息。这种分析方法也曾用到脉冲星的距离探测中。

不过很遗憾，这个方法并不适用于FRB190520。这次的暴发信号显示的色散量大概等价于8到9.5亿光年的距离。而另一方面，如上文所述科学家利用宿主星系光谱的多普勒效应计算FRB的距离时，这个结论大概是30亿光年左右。为什么差距会这么大？Aggarwal解释说：这意味着FRB附近有大量的其他物质，这导致了科学家每次对星系间的气体介质进行探测都会受到影响。如果其他的测量也是如此被影响，那么我们就无法将FRBs用作宇宙尺度。

FRB190520位于天空中天羯座附近。图片来源于美国国家无线电天文台（NRAO）

所以，尽管周围介质可能会影响到FRB距离的测量，但它也提供了FRB年龄的相关线索。

对FRBs的新洞察

FRB190520的新发现为FRBs家族的拓展提供了迷人的崭新性质，也让科学家对此有了新的洞察。西弗吉尼亚大学（WVU）的Sarah Burke-Spolaor指出：FRB研究领域目前进展迅速，几乎每个月都有新发现。然而，还有一些本质问题遗留着，这个项目给我们研究这些问题提供了许多极具挑战参考的线索。