麻省理工學院:天文學家發現無線電波的規律節拍,但來源不明

2021-01-12 量子認知

由麻省理工學院及CHIME天文團體的一組天文學家，發現了一個奇怪的、重複的規律節拍，它是由距我們5億光年的銀河系外一個未知來源發出的快速無線電脈衝的節奏。

快速無線電脈衝，英語：Fast radio bursts, 簡稱：FRBs，是短而強烈的無線電波，通常持續幾毫秒，在此期間它們可以超越整個星系，據認為是小而遙遠、密度很高的物體的產物，是天體物理學中的一個長期謎團。

自從2007年首次觀測到快速無線電脈衝串以來，天文學家已經對來自我們銀河系以外、遍布整個宇宙的遙遠源的100多個快速無線電爆發進行了統計編目。在大多數情況下，這些檢測是一次性的、短暫閃爍然後完全消失。在少數情況下，天文學家從同一來源多次觀察到快速的無線電爆發，儘管沒有明顯的模式。

該研究小組將其歸類為FRB 180916.J0158+65，這是一個新的快速無線電脈衝源，它是第一個產生周期性快速無線電脈衝串模式的源。該模式以一個嘈雜的4天的窗口開始，在該窗口中，源發出隨機的無線電波突發，然後是12天的無線電靜默期。

天文學家觀察到，這種為期16天的快速射電爆發模式在500天的觀察中一直反覆出現。麻省理工學院天體物理與空間研究所物理教授、清井清（Kiyoshi Masui）說：「我們現在報告的這個快速無線電脈衝串就像發條一樣。」 「這是我們從這些來源之一中看到的最明確的模式。這是一個很大的線索，我們可以用來尋找導致這些明亮閃光的物理原因，而沒人真正理解。」

輕井清是CHIME/FRB合作組織的成員，該組織由不列顛哥倫比亞大學、麥吉爾大學、多倫多大學等，由加拿大國家研究委員會領導，50多名科學家組成，負責對加拿大的數據進行分析。CHIME是氫強度測繪射電望遠鏡實驗的簡稱，是第一個接收新的周期性快速無線電脈衝源信號的望遠鏡。

如圖所示的CHIME由四個大型天線組成，每個天線的大小和形狀與單板滑雪半管相同，沒有移動部件。 CHIME並沒有轉而專注於天空的不同部分，而是固定地注視著整個天空，尋找遍及整個宇宙的快速無線電爆發源。

從2018年9月到2020年2月，CHIME從一個單一的來源FRB 180916.J0158 + 65中選出了38個快速無線電脈衝群，天文學家將其追蹤到一個巨大漩渦星系郊區的一個恆星攪動區域，距地球約5億光年。該氣源是CHIME迄今檢測到的最活躍的FRB源，直到最近，它還是離地球最近的FRB源。

當研究人員繪製38個爆發中的每個爆發時，一個模式開始出現：在四天內會發生一到兩個爆發，然後是12天，沒有任何爆發，此後該模式將重複出現。在他們觀察到源頭的500天內，這個16天的周期一次又一次地發生。清井說：「這些周期性爆發是我們從未見過的，這是天體物理學中的一種新現象。」

儘管該團隊在他們的新論文中探索了一些想法，但確切地說，這種新的節奏背後的現象究竟是什麼還是一個謎。一種可能性是周期性的爆發可能來自單個緊湊的物體，例如中子星，該物體既旋轉又搖擺，這是一種被稱為歲差的天體物理學現象。假設無線電波從物體上的固定位置發出，如果物體沿某個軸旋轉，並且該軸僅每16天中的四天指向地球方向，那麼我們將觀察到無線電波是周期性的爆發。

另一種可能性涉及雙子星系統，例如中子星繞另一個中子星或黑洞運行。如果第一顆中子星發出無線電波，並處於使其暫時靠近第二個物體的偏心軌道上，則兩個物體之間的潮汐可能足夠強，以致第一顆中子星在其擺動之前會短暫變形並破裂。當中子星沿其軌道向後擺動時，這種模式將重複。

研究人員考慮第三種情況，涉及環繞中心恆星的無線電發射源。如果恆星散發出風或氣體雲，那麼每次輻射源穿過雲層時，來自雲層的氣體都會定期放大輻射源的無線電輻射。清井說：「也許消息源一直在釋放這些爆發，但我們只有在它們穿過這些雲時才能看到它們，因為這些雲充當了鏡頭。」

也許最令人振奮的可能性是這種新的快速無線電脈衝，甚至是那些不是周期性的甚至不是重複的，都可能源自磁星，一種被認為具有強大磁場的中子星。磁星的細節仍然是一個謎，但是天文學家已經觀察到它們偶爾會在電磁頻譜上釋放出大量的輻射，包括無線電波段的能量。清井說：「人們一直在研究如何使這些磁星發出快速的無線電脈衝，自那以後，我們觀察到的這種周期性就被運用到了這些模型中，以弄清它們如何融合在一起。」

最近，研究小組進行了一項新觀察，結果支持了磁星實際上可能是快速無線電脈衝爆發的可行來源的想法。4月下旬，接收到了一個信號，它看起來像是一個快速的無線電脈衝，它是從一個離地球約3萬光年遠的耀眼的磁場中發出的。如果信號被確認，這將是我們自己銀河系中首次檢測到的快速無線電脈衝，同時也是最令人信服的證據，證明磁星是這些神秘宇宙火花的來源。

有關該研究的最新觀測細節結果發表在今天的《自然》雜誌上。

參考：Periodic activity from a fast radio burst source. Nature. Published: 17 June 2020

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