“中國天眼”全景。 新華社記者 歐東衢攝

技術(shù)人員對“中國天眼”的饋源艙進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。新華社記者 歐東衢攝

近日，中國科學(xué)院國家天文臺研究員李菂領(lǐng)導(dǎo)的國際團(tuán)隊，通過500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（“中國天眼”）的“多科學(xué)目標(biāo)同時巡天”優(yōu)先重大項目，發(fā)現(xiàn)了迄今為止唯一一例持續(xù)活躍的重復(fù)快速射電暴“FRB 20190520B”。

快速射電暴是宇宙中最明亮的射電爆發(fā)現(xiàn)象，在1毫秒的時間內(nèi)釋放出太陽大約一整年才能輻射出的能量。李菂說：“這個發(fā)現(xiàn)揭示了活躍重復(fù)暴周邊的復(fù)雜環(huán)境有類似超亮超新星爆炸的特征，挑戰(zhàn)了對快速射電暴色散分析的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，為構(gòu)建快速射電暴的演化模型、理解這一劇烈的宇宙神秘現(xiàn)象打下了基礎(chǔ)。”

該成果于北京時間2022年6月9日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志發(fā)表。

“中國天眼”在幾年前就開展了快速射電暴的搜尋工作

快速射電暴的研究歷程并不長，2007年首次確定了它的存在，2016年探測到第一例重復(fù)爆發(fā)的快速射電暴，打破了人們對快速射電暴的傳統(tǒng)認(rèn)知，目前該領(lǐng)域已成為天文學(xué)最新研究熱點(diǎn)之一。全球已公布了近500例快速射電暴，僅不到10例有活躍爆發(fā)（即在其窗口期內(nèi)頻繁爆發(fā)）。此前并未發(fā)現(xiàn)存在持續(xù)活躍的重復(fù)快速射電暴。

作為世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，“中國天眼”在幾年前就開展了快速射電暴的搜尋工作。2020年，“多科學(xué)目標(biāo)同時巡天”優(yōu)先重大項目公布了基于調(diào)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)的四例新的非重復(fù)快速射電暴，這幾例快速射電暴是“中國天眼”首批發(fā)現(xiàn)的快速射電暴，填補(bǔ)了快速射電暴在高色散低流量通量的樣本空白。

2019年5月20日，一例重復(fù)快速射電暴被探測到，依據(jù)慣例，論文第一作者、國家天文臺青年學(xué)者牛晨輝用探測日期來命名快速射電暴，稱為“FRB 20190520B”。

牛晨輝說：“在最初被探測到時，這一快速射電暴就表現(xiàn)出活躍的跡象。我們在同一個波束掃過的10秒鐘內(nèi)，看到了3次爆發(fā)，而20秒后，另外一個波束掃到相鄰位置時又探測到1次爆發(fā)?！?/p>

根據(jù)“中國天眼”漂移掃描中最開始發(fā)現(xiàn)的4次爆發(fā)的時間及望遠(yuǎn)鏡指向，科研人員將爆發(fā)區(qū)域縮小到了5角分的范圍內(nèi)，而這也為后續(xù)利用干涉陣列跟蹤提供了相對精確可靠的位置信息。

據(jù)了解，“多科學(xué)目標(biāo)同時巡天”優(yōu)先重大項目由李菂負(fù)責(zé)，快速射電暴的搜尋工作是該項目中的一個重要方向。國家天文臺研究員朱煒瑋負(fù)責(zé)的“中國天眼”另一優(yōu)先重大項目“快速射電暴巡天”為“FRB 20190520B”的后隨觀測提供了重要支撐。

持續(xù)射電源的發(fā)現(xiàn)，為揭示這一快速射電暴的起源提供了重要線索

為了獲取這一快速射電暴更精確的位置，從而找出其宿主星系，科研團(tuán)隊申請了美國甚大陣列的觀測，于2020年7月20日開始對“FRB 20190520B”的搜尋觀測。

牛晨輝說：“由于‘中國天眼’提供的位置相對精確以及‘FRB 20190520B’非?；钴S，我們在第一次的美國甚大陣列觀測中就探測到了來自‘FRB 20190520B’的爆發(fā)，并將該源的位置限制在了亞角秒的范圍內(nèi)。”

更令人興奮的是，他們在快速射電暴成協(xié)的位置，發(fā)現(xiàn)了一顆致密的持續(xù)射電源的存在，這是繼首例重復(fù)暴“FRB 20121102A”后，第二例探測到伴隨有致密持續(xù)射電源的快速射電暴。

然而，這個持續(xù)射電源的對應(yīng)體究竟是什么還未知，可能是活動星系核，也可能是超新星爆炸遺跡的輻射。牛晨輝說：“不管怎樣，持續(xù)射電源的發(fā)現(xiàn)，為揭示這一快速射電暴的起源提供了重要線索。”

相關(guān)資料圖

有了角秒級的定位，科研團(tuán)隊通過搜尋存檔的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)，找到了這一快速射電暴的宿主星系，并馬上組織了對宿主星系的光學(xué)后隨觀測。通過美國帕洛瑪200英寸望遠(yuǎn)鏡和凱克望遠(yuǎn)鏡，他們分別得到了兩組光譜。分析發(fā)現(xiàn)，這兩組光譜數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出一致的結(jié)果：“FRB 20190520B”的宿主星系是一個紅移0.241的矮星系，距離地球33億光年。

“中國天眼”的“多科學(xué)目標(biāo)同時巡天”優(yōu)先重大項目迄今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)至少6例新快速射電暴

此次“中國天眼”發(fā)現(xiàn)的首例持續(xù)活躍重復(fù)快速射電暴與美國阿雷西博望遠(yuǎn)鏡2016年發(fā)現(xiàn)的首例重復(fù)暴“FRB 20121102A”非常相似。“FRB 20121102A”是人類發(fā)現(xiàn)的第一個快速射電暴重復(fù)暴和第一個被定位的快速射電暴，也是此前唯一被確認(rèn)有致密射電源對應(yīng)體的快速射電暴。

李菂說：“二者都極為活躍，都擁有復(fù)雜的電磁環(huán)境，而‘FRB 20190520B’各方面的特征都更為極端。例如，‘FRB 20121102A’存在爆發(fā)活躍期，但是‘FRB 20190520B’從未停止爆發(fā)，目前‘中國天眼’已經(jīng)探測到了后者幾百次爆發(fā)?！?/p>

本研究發(fā)現(xiàn)的初步結(jié)果公布后，引起了國際天文界的廣泛關(guān)注，這一重要發(fā)現(xiàn)已經(jīng)催生數(shù)篇創(chuàng)新模型文章，例如散射時標(biāo)模型、超新星爆炸解釋等。

綜合“中國天眼”的近期觀測數(shù)據(jù)，“FRB 20121102A”和“FRB 20190520B”很可能處在快速射電暴初生階段。

李菂說：“‘中國天眼’的持續(xù)觀測，特別是執(zhí)行‘快速射電暴巡天’優(yōu)先重大項目，有望建立全新的快速射電暴演化圖景?！?/p>

快速射電暴領(lǐng)域創(chuàng)始人鄧肯·洛里默對此評價說：“基于‘FRB 20190520B’這些特征及其持續(xù)射電源的存在，我認(rèn)為快速射電暴可能有不同的分類。隨著快速射電暴樣本的持續(xù)增長，預(yù)計未來幾年內(nèi)，我們能夠撥開快速射電暴神秘的面紗?！?/p>

據(jù)悉，“中國天眼”的“多科學(xué)目標(biāo)同時巡天”優(yōu)先重大項目迄今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)至少6例新快速射電暴，正在為揭示宇宙中這一神秘現(xiàn)象的機(jī)制、推進(jìn)天文學(xué)這一全新領(lǐng)域的研究做出獨(dú)特的貢獻(xiàn)。

延伸閱讀

“中國天眼”正式驗收至今已兩年多，運(yùn)行效率和質(zhì)量不斷提高，年觀測時長超過5300小時，并取得了一批重要科研成果。

除了在發(fā)現(xiàn)快速射電暴方面的成果，我國科學(xué)家還利用“中國天眼”，為解決恒星形成三大經(jīng)典問題之一的“磁通量問題”提供了重要的觀測證據(jù)。

脈沖星能夠發(fā)射出高度周期性的脈沖，周期在毫秒到幾十秒之間。被稱為“毫秒脈沖星”的短周期脈沖星，其周期的長期穩(wěn)定度可以與地球上最好的原子鐘相媲美。因此，發(fā)現(xiàn)脈沖星是國際大型射電望遠(yuǎn)鏡觀測的主要科學(xué)目標(biāo)之一。截至目前，“中國天眼”共發(fā)現(xiàn)約500顆脈沖星，成為自運(yùn)行以來世界上發(fā)現(xiàn)脈沖星效率最高的設(shè)備。

隨著性能的提升，“中國天眼”的科學(xué)潛力還將進(jìn)一步顯現(xiàn)。未來，“中國天眼”還將搜尋發(fā)現(xiàn)更多的脈沖星，希望能看到更遙遠(yuǎn)的銀河系外的脈沖星，同時繼續(xù)巡視宇宙中的中性氫，幫助科學(xué)家研究各尺度宇宙，以探索宇宙起源和演化等重要科學(xué)問題。