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2019-09-16 02:13 来源:东北新闻网

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快速射电暴:宇宙物质分布的“探针”

文章来源:中国科学报 池涵   发布时间:2019-09-16  【字号:     】  

  澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)的ASKAP望远镜阵列探测并精确定位快速射电暴想象图 图片来源:CSIRO/ Andrew Howells博士

  澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)的ASKAP望远镜阵列,位于西澳大利亚的Murchison射电天文台 图片来源:CSIRO, Dragonfly Media

  快速射电暴(FRB)是一类持续时间为毫秒量级的超亮射电脉冲信号。从2007年第一次被发现至今,全球各地的射电天文学家已经公布了80多个独立的快速射电暴事件。然而此前,仅有重复快速射电暴FRB 121102被精确定位。

  近日,美国哈佛大学空间物理中心助理教授Vikram Ravi 和英联邦科学与工业研究组织澳大利亚国家望远镜中心研究员Keith. W. Bannister分别在《自然》和《科学》发表论文,实现了对两个非重复射电暴信号的定位。

  3.1秒的邂逅

  以我国为主的第一个快速射电暴信号的发现者、中科院紫金山天文台博士生张松波告诉《中国科学报》,此次发现是对一次性爆发的快速射电暴的精确定位,由来自澳大利亚平方公里阵探路者(ASKAP)项目组和来自美国的深天十天线阵列原型(DSA-10)分别独立地对非重复射电暴FRB 180924 和FRB 190523 进行了精确定位。

  张松波认为,对非重复射电暴的定位相比于重复射电暴要更加困难。

  他告诉记者,望远镜的分辨率与波长成正比、与口径成反比。单口径射电望远镜必须建得足够大,才能提供足够的分辨率和灵敏度,才能探测到更暗或更远的快速射电暴。

  而要将射电望远镜的分辨率提高到可以精确定位的标准,只能通过阵列实现。

  张松波说,这类望远镜阵列的基线长度可达数千米,角分辨率可达角秒以至亚角秒的量级。

  但阵列的搜寻方式却会产生巨大的数据量,且会极大降低其搜寻视场。

  单口径射电望远镜的分辨率不高,而射电望远镜阵列则因为其视场限制和超大的数据处理量,很难直接探测到快速射电暴。

  此前,只有经单口径望远镜巡天确定了大致位置范围,再由射电望远镜阵列对准这个方向,重复射电暴才有被探测到的可能性。FRB 121102就是这样利用美国甚大天线阵(VLA)进行的精确定位。

  但重复快速射电暴的重复爆发频率非常难以确定,往往在长时间沉寂后又在几周或几个月里集中出现,想要探测依旧需要足够的时间和运气。

  张松波说,最新的这两次发现,都是射电望远镜阵列对快速射电暴的直接观测,是对快速射电暴实时搜寻能力的一个极大突破。

  这次的观测所用的射电望远镜阵列数据量极大,而为了提高视场,如ASKAP装备的相位馈源阵列(PAF),会使其数据量在原基础上提高30多倍,其最大吞吐量可达75TB/s,但只能实时缓存3.1秒用于成像的基带数据。

  “也就是说,超过这个时间窗口,快速射电暴信号将失去被定位的可能。”张松波说。

  这就要求极高的数据处理能力,FRB 180924就是在探测到信号后281毫秒就得到了确认。

  这证实了利用射电望远镜阵列对快速射电暴进行直接观测的可行性,张松波相信,必将有更多的快速射电暴被更多的射电望远镜阵列观测到,并精确定位。

  谜一样的遥远闪光

  这两次发现,极大地扩充了快速射电暴精确定位的样本量。能够对快速射电暴定位,给了天文学家们综合其他数据、研究其成因的机会。

  中科院紫金山天文台研究员吴雪峰告诉《中国科学报》,关于FRB的成因已经有很多理论,现在还很难确定哪个是正确的,但基本都与致密星的特别活动相关,如双中子星或白矮星的合并、快速旋转的大质量中子星塌缩成黑洞等。

  此前,由于重复快速射电暴FRB 121102被精确定位于距离地球约30亿光年的亮度较暗、质量较小的矮星系中,所处位置恒星形成率较高,使得很多理论开始偏向这一方向。

  然而此次,FRB 180924 和FRB 190523的宿主星系距离地球分别为40亿光年和70亿光年左右,都是较明亮、大质量的星系,而且,恒星形成率非常低。

  “这使得快速射电暴的起源理论再次成谜,也提供了更多的可能性,或许FRB的起源确实就可以分为两种。”吴雪峰说。

  不论如何,通过定位证实快速射电暴确实起源于银河系之外的遥远宇宙深处,为研究快速射电暴这一全新天文现象的理论工作提供了坚实的基础,关于其超大能量(瞬间爆发的能量甚至可以超过太阳10年所提供的能量总和)的估计将不再只是一个假设。

  吴雪峰强调,而各类依据其宇宙学距离所做的物理应用,如对宇宙重子数密度的探寻等,都有了切实可行的依据和逐渐扩充的样本。

  印证宇宙学命题的探针

  “FRB最直接的应用是作为星系际介质的探针,进而探究星系际介质的重子比例,这对于基础粒子物理和宇宙学的各类模型,都有着至关重要的作用。”中科院紫金山天文台副研究员魏俊杰告诉《中国科学报》。

  比如,通过对银河系脉冲星射电脉冲信号的研究,科学家已经对银河系的电子分布有了一个比较清晰的认识,如NE2001模型和YMW16模型,都对银河系任何方向的电子数密度分布给出了一个比较准确的估计。

  而想要对银河系外的电子数密度进行估计,以前基本只能靠理论估计,但现在,FRB给了科学家直接测量星系际介质自由电子数密度分布的契机。

  魏俊杰告诉记者,不同频率的信号在穿过冷等离子体的时候,会产生不同的时间延迟,而这个延迟与频率的平方成反比,因此频率越低的信号延迟效应越明显。通过测量某一个FRB信号的延迟,就可以得到这个方向的电子数密度。

  “这次对两个FRB信号的探测和定位,使得FRB的起源讨论被放在宇宙学的范围上。”魏俊杰说。

  张松波则强调,宇宙之大,奥秘甚多,我们所知甚少,所以需要更多地去探寻。




(责任编辑:侯茜)

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