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中国天眼FAST发现首例持续活跃快速射电暴

2022-06-09 国家天文台
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[video:20220609【新闻直播间】中国天眼发现首例持续活跃快速射电暴]

  快速射电暴(FRB)是宇宙中最明亮的射电爆发现象,在1毫秒的时间内释放出太阳大约一整年才能辐射出的能量。FRB的研究历程并不长,2007年首次确定了它的存在,2016年探测到第一例重复爆发的FRB,打破了人们对FRB的传统认知,目前该领域已成为天文学最新研究热点之一。全球已公布了近500例FRB,仅不到10例有活跃爆发(即在其窗口期内频繁爆发)。此前并未发现存在持续活跃的重复快速射电暴。

  近日,百事3平台国家天文台研究员李菂领导的国际团队,通过中国天眼FAST的“多科学目标同时巡天(CRAFTS)”优先重大项目,发现了迄今为止唯一一例持续活跃的重复快速射电暴 FRB 20190520B。之后该团队通过组织多台国际设备天地协同观测,综合射电干涉阵列、光学、红外望远镜以及空间高能天文台的数据,将FRB 20190520B定位于一个距离我们30亿光年的贫金属的矮星系,确认近源区域拥有目前已知的最大电子密度,并发现了迄今第二个FRB持续射电源对应体(Persistent Radio Source , PRS)。上述发现揭示了活跃重复暴周边的复杂环境有类似超亮超新星爆炸的特征,挑战了对 FRB 色散分析的传统观点,为构建快速射电暴的演化模型、理解这一剧烈的宇宙神秘现象打下了基础。该成果于北京时间2022年6月9日在国际学术期刊《自然》(Nature)发表。

  论文第一作者、百事3国家天文台青年学者牛晨辉在系统处理FAST数据的过程中,发现2019年5月20日的数据存在重复的高色散脉冲。基于这一发现,团队通过与美国甚大阵列望远镜合作,在2020年7月完成亚角秒量级的精确定位,并探测到了一颗与之对应的致密的持续射电源(PRS)。随后通过美国帕洛玛 200 英寸望远镜和凯克望远镜、加拿大-法国-夏威夷望远镜和日本斯巴鲁近红外光学望远镜确定了FRB 20190520B的宿主星系和红移,推导出其宿主星系贡献了总色散值的80%,为目前已知所有快速射电暴源中最高。进一步结合散射特征,团队提出宿主星系的色散主要来自邻近FRB爆发源的区域,该区域高电子密度导致的高色散值也使得FRB 20190520B远远偏离经典的色散与红移关系(如图1)。

  此次FAST发现的FRB 20190520B与美国阿雷西博望远镜2016年发现的FRB 20121102A非常相似。FRB 20121102A是人类发现的第一个快速射电暴重复暴和第一个被定位的FRB,也是此前唯一被确认有致密射电源对应体的FRB。二者都极为活跃,都拥有复杂的电磁环境,而FRB 20190520B各方面的特征都更为极端:例如FRB 20121102A存在爆发活跃期,但是FRB 20190520B从未停止爆发,目前FAST已经探测到了后者几百次爆发。本研究发现的初步结果公布后,引起了国际天文界的广泛关注,这一重要发现已经催生数篇创新模型文章,例如散射时标模型、超新星爆炸解释等。

  综合FAST的近期观测数据,FRB 20121102A和FRB 20190520B很可能处在快速射电暴初生阶段。FAST的持续观测,特别是执行“快速射电暴巡天”优先重大项目,有望建立全新的FRB演化图景。

  FRB领域创始人邓肯·洛里默对此评价说:“基于FRB 20190520B这些特征及其持续射电源的存在,我认为快速射电暴可能有不同的分类。随着快速射电暴样本的持续增长,预计未来几年内,我们能够拨开快速射电暴神秘的面纱。”

  FAST“多科学目标同时巡天(CRAFTS)”优先重大项目迄今已经发现至少6例新的FRB,正在为揭示宇宙中这一神秘现象的机制并推进天文学这一全新领域的研究做出独特的贡献。

  图1. 从色散-红移关系上清晰可见FRB 20190520B拥有最大的宿主星系电子密度。图中斜线为包含了宇宙主要重子物质成分的“Macquart Relation”。

图2. 夜空下的中国天眼FAST和美国甚大天文阵列望远镜(非实景图)

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