天文学又一里程碑!中国“天眼”等首次揭开神秘宇宙射线与罕见天体间的关联 | 专访

科学
天文学又一里程碑!中国“天眼”等首次揭开神秘宇宙射线与罕见天体间的关联 | 专访
麻省理工科技评论 2021-01-02

2021-01-02

这是天文学家第一次观测到位于银河系内的快速射电暴,也是目前唯一被观测验证的可以产生快速射电暴的天体,标志着快速射电暴与磁星的理论研究迎来了全新的里程碑,也为天文学家后续的研究奠定了基础。
科学
这是天文学家第一次观测到位于银河系内的快速射电暴,也是目前唯一被观测验证的可以产生快速射电暴的天体,标志着快速射电暴与磁星的理论研究迎来了全新的里程碑,也为天文学家后续的研究奠定了基础。

2001 年,天文学家观测到了一种前所未有的现象,遥远的宇宙中突然出现一次短暂而明亮的无线电波爆发,仅在几毫秒的时间内就能爆发出太阳一整天释放的能量。后来,科学家将其命名为 “快速射电暴”(Fast Radio Bursts,FRBs)。

多年来,天文学家一直被它的来历困扰着,人们推测快速射电暴来自于磁星,但都没有确凿的证据。磁星是一种特殊的中子星,它拥有极强的磁场,是地球磁场 10 的 15 次方倍,而且能够爆发出高能量的电磁辐射,以 X 射线和软 γ 射线为主。

11 月 4 日,Nature 杂志一连刊登了三篇有关快速射电暴的论文,其中一篇来自中国团队,这项研究首次为快速射电暴与磁星之间的关系提供了线索。

这项研究标志着在快速射电暴的观测与物理理论研究上迎来了全新的里程碑,也凸显了中国 “天眼”(500 米口径球面射电望远镜,简称 FAST)在国际天文学界有着不可替代的作用。

FAST 由中国天文学家南仁东先生于 1994 年提出构想,由中国科学院国家天文台主导建设,历时 22 年建成,于 2016 年 9 月 25 日落成启用。截至 2020 年 11 月,FAST 发现脉冲星数量超过 240 颗。

中国“天眼”等首次揭开神秘宇宙射线与罕见天体间的关联

图|“天眼” FAST(来源:IC photo)

论文第一作者为北京师范大学天文系博士林琳、北京大学天文系博士张春风以及中科院国家天文台助理研究员王培,合著者包括来自北京大学、中国科学院国家天文台、美国内华达大学等国内外相关的天文学家和科研工作者。这项研究也于不久前先后被Nature、Science 杂志评选为年度十大科学发现。

中国“天眼”等首次揭开神秘宇宙射线与罕见天体间的关联

图|相关论文(来源:Nature)

其实,这项研究从观测到提交论文,他们大概只用了 10 天。北京时间 4 月 28 日凌晨 2:00,X 射线波段检测到磁星 SGR 1935+2154 开始活动,“它在 300 秒的时间内辐射出了上百个高能爆发,这是一个较大型的磁星活动”,林琳告诉 DeepTech。

她意识到,如果能在磁星频繁活动期间探测到快速射电暴,这将对整个天文学产生重大的影响。于是她向 FAST 快速射电暴重大优先项目负责人进行协商,宁可 “插队” 也要借用到 FAST 进行观测。

得到批准后,大约在北京时间 4 月 28 日 8-9 点间,FAST 进行观测。在这 1 小时的时间内美国 Fermi 望远镜的伽马射线暴监视仪记录到磁星 SGR 1935+2154 释放出 29 次软伽马射线爆发。而 FAST 的优势在于灵敏度高,能够获取独一无二的信息,这对于林琳和团队成员来说有着莫大的帮助,为后续的研究奠定了基础。

中国“天眼”等首次揭开神秘宇宙射线与罕见天体间的关联

图|林琳,现为北京师范大学天文系讲师(来源:北京师范大学)

磁星在 30 分钟内产生 29 次软伽马射线爆发,却均未发现快速射电暴

“磁星 SGR 1935+2154 从来没有观测到射电辐射,不管是脉冲辐射还是单方的暴发现象,从来都没有看到过。而在今年 4 月份它进入活跃期之后,突然被观测到了。” 林琳说道。

目前,已认证的磁星共有 30 颗,而且磁星何时能够发出脉冲辐射是完全不可预知的,这也就意味着这次观测意义重大。

FAST 分别在国际标准时间 4 月 15 日 21:54:00-23:54:00,4 月 26 日 21:06:55-23:06:55,4 月 27 日 23:55 - 次日 00:50:37,以及 4 月 28 日 20:35:00-23:35:00 这四个时间段进行了观测,只有在 27 日晚短短不到一小时的时间内发现了磁星的频繁活动,期间磁星十分活跃,仅在 30 分钟内就观测到 29 次爆发,而在这 29 次爆发中,一个快速射电暴都没有发现。

中国“天眼”等首次揭开神秘宇宙射线与罕见天体间的关联

图|不同波段望远镜对磁星 SGR 观测时间的汇总

随后,国际上两个射电望远镜捕捉到一例来自磁星 SGR 1935+2154 方向的快速射电暴(FRB 200428)。而 FAST 在其它软伽马射线爆发的时刻并没有看到射电辐射,因此研究人员初步认为,快速射电暴的出现与软伽马射线重复爆(一种以磁星为模型基础来解释的天文现象,SGRs)关联性较弱。

FAST 团队得到了观测结果,但对于他们来说,这项研究才刚刚开始。接下来他们将继续研究磁星与快速射电暴的关系,期待获得更多的观测资料。

值得注意的是,并不是 FAST 直接观测到快速射电暴,而是来自加拿大和美国的射电望远镜捕捉到的,他们视场大,容易捕捉到快速射电暴。“FAST 太灵敏了,它可以‘看的很深’,能够帮助我们获取独一无二的信息,” 林琳告诉 DeepTech。

多种方法搜索的数据证实,FAST 观测中没有来自磁星的显著射电辐射

林琳所在的 FAST 快速射电暴优先重大项目团队是今年刚刚成立的,包括来自北京师范大学、北京大学、中国科学院国家天文台、美国内华达大学等国内外相关的天文学家和科研工作者,是一个规模十分庞大的团队。

林琳告诉 DeepTech,“我们需要搜索射电脉冲的信号,这些工作主要是由国家天文台、北京大学的几个小组分别独立进行研究的,不同的组有不同的搜索方法,各自进行独立搜索,最后对结果进行交叉验证。” 这是非常有序的团队协作的结果。

例如小组拿到数据后进行了盲搜。宇宙中的射电信号传播到我们会有色散延迟的效应,不同频率的延迟长度不同,这样可以看到不同频率的脉冲在时间上是有差别的。“盲搜是指不限定色散作用的大小,从一个非常大的范围内寻找射电信号,结果都没有找到。” 林琳说道。

中国“天眼”等首次揭开神秘宇宙射线与罕见天体间的关联

图|在费米 γ 射线爆发监测器监测脉冲的 ±30s 内未检测到射电脉冲

由于研究人员知道他们所寻找的天体的位置,也大概知道对应的色散值是多少,他们又在对应磁星的色散值附近进行更精细的搜索,也没有找到信号。

他们还通过在 X 射线爆发的对应时间窗口进行了专门的搜索,也没有看到任何的信号。最后团队还检查了观测中是否存在数据饱和的现象,“如果(FAST 在观测中)饱和的话,我们一样看不到信号,但在我们的观测中没有饱和。” 林琳说道,“所以我们得到了该磁星爆发期射电脉冲辐射零探测的结果。”

团队进而得出结论,快速射电暴与软伽马射线重复爆关联性较弱。他们指出其可能的原因有三:

一是快速射电暴辐射的集束效应强(张角非常小),所以可能看到很多高能爆发,而看到的射电爆发则非常少;

二是快速射电暴的能谱分布较窄,而且大部分暴发辐射在 FAST 观测频段之外;

三是与快速射电暴相关联的高能爆发是比较特殊的,比如它的产生的环境和位置可能有更严格的要求。

这是天文学家第一次观测到位于银河系内的快速射电暴,也是目前唯一被观测验证的可以产生快速射电暴的天体,标志着快速射电暴与磁星的理论研究迎来了全新的里程碑,也为天文学家后续的研究奠定了基础。

“天时、地利、人和” 造就了这一震惊天文界的发现

林琳告诉 DeepTech,“人们研究磁星大约有 40 多年了,磁星主要的一个爆发特点就是会产生高能段 X 射线、γ 射线的短暂爆发。这种爆发是我们无法预测的,所以也没那么容易观测。”

今年 4 月,X 射线波段检测到磁星 SGR 1935+2154 开始活动,这一消息无疑振奋了整个天文界。林琳得知消息后,第一时间联系到 FAST 重大优先项目负责人进行协商,不顾一切申请 “插队” 观测,最后能够成功借用到 FAST,与其负责人的协调以及其他团队的理解密不可分。

“因为当天 FAST 的观测安排已经满了,都是提前几天就确定好的,本应按部就班进行观测。而且那天情况还非常紧急,我们申请在磁星产生高能爆发后 5 个小时进行观测,” 林琳将此比喻为一种很紧急的插队行为。

相信大家都有所了解,有着 “天眼” 之称的 FAST 拥有 500 米口径,是世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜,综合性能是著名的射电望远镜阿雷西博的十倍。

中国“天眼”等首次揭开神秘宇宙射线与罕见天体间的关联

图|阿雷西博望远镜(上)与 FAST(下)的盘面对比图(来源:维基百科)

FAST 由中国天文学家南仁东先生于 1994 年提出构想,由中国科学院国家天文台主导建设,历时 22 年建成,于 2016 年 9 月 25 日落成启用。据了解,截至 2020 年 11 月,FAST 设施运行稳定可靠,取得一系列重大科学成果,发现脉冲星数量超过 240 颗。最近一年,FAST 已观测服务超过 5200 个机时,超过预期设计目标近两倍。

有了 “天时” 和 “地利” 还不够,FAST 重大优先项目组配备了国内外顶尖的天文团队,包括北京师范大学、北京大学、国家天文台、南京大学、云南大学、美国内华达大学、西班牙安德鲁西亚天体物理研究所、中科院高能物理研究所等单位人员组成的国际合作团队,规模十分庞大。

林琳告诉 DeepTech,“受到疫情影响,我们很多人都没有见过。” 然而这次短时间的合作却非常有序,“不同的人负责不同的部分,我主要负责快速射电暴与磁星关联观测研究,还有负责快速射电暴的多波段观测、以及研究快速射电暴理论研究的成员等等。”

既碰到了难得一遇的磁星高能爆发,又得到了世界上最强大的射电望远镜 FAST 的支持,还配备了国内外顶尖的天文团队。如此,林琳和团队就得到了这样一次 “天时、地利、人和” 的机会,而且他们牢牢地抓住了。

这是天文学家第一次观测到位于银河系内的快速射电暴,也是目前唯一被观测验证的可以产生快速射电暴的天体,标志着快速射电暴与磁星的理论研究迎来了全新的里程碑,也为天文学家后续的研究奠定了基础。

麻省理工科技评论

From Tech to Deeptech