「天眼」終「獵暴」

引言:

快速射電暴是近年來最熱門的射電天文學的話題之一，它們神出鬼沒，難以預測蹤跡。中國「天眼」（FAST射電望遠鏡）則是捕捉快速射電暴的絕佳利器，自正式運行以來，FAST憑藉著其極高的靈敏度，迅速加入到快速射電暴研究的前沿陣地。此次「狩獵」活動，我們提前預測了「獵物」可能出現的位置，然後採用「守株待兔」的策略，不僅認證了一顆新的重複射電暴源，更重要的是，還發現了其全新的輻射特徵。這對揭示快速射電暴的起源和輻射機制有著重要意義。相關論文已於近期發表在了《自然》雜誌上，詳見文末論文連結。

今天，我們詳細介紹一下FAST的「獵暴」計劃是如何進行的。

FAST望遠鏡探測到快速射電暴的藝術想像圖（攝影：黃琳、楊清亮、王鉑鈞、張春風、姜金辰，後期：崔起生）

撰文 | 羅睿（澳大利亞國立射電天文臺）、王維揚（國家天文臺）、姜金辰（北京大學天文系）

責編 | 韓越揚 呂浩然

快速射電暴

快速射電暴（Fast Radio Burst，FRB），顧名思義就是短時間內的射電流量暴增。一般而言，這種爆發持續的時間只有幾毫秒，比一眨眼的功夫還要快。但令人詫異的是，這種來自遙遠宇宙的爆發事件，產生的射電信號非常顯著，以至於近些年不斷有學者嘗試用各種理論模型去解釋其產生的機制。

除了定義中比較顯而易見的特點，FRB在觀測上還具有高度色散的直觀特徵。也就是同一信號，不同頻率的射電波到達我們望遠鏡的時間具有延遲，高頻的信號早到達，低頻的晚到達（圖1）。

圖1：一個典型的快速射電暴（FRB 110220）的動態頻譜特徵，橫坐標是到達時間，縱坐標是觀測頻率，圖片來源: Thornton et al. 2013, Science

第一個FRB是2007年Lorimer等人在處理澳大利亞帕克斯（Parkes）望遠鏡的歷史數據後發現的，當時還沒有太多人相信這是一個真實存在的天文學現象。然而等2013年《科學》雜誌發表了4個快速射電暴之後，人們意識到這一現象絕非偶然，宇宙中極有可能存在大量的FRB等待我們去發掘，這個領域開始急劇升溫。澳大利亞的「平方公裡陣探路者（ASKAP）」望遠鏡和加拿大的「氫強度測繪實驗（CHIME）」望遠鏡分別於2017年和2018年開展FRB巡天，標誌著FRB領域已經進入高速發展的時代。不過，雖然天文學家開展FRB的研究至今已有十餘年，但這個領域仍充滿了未知，物理起源依然不清楚。

FRB極其「狡猾」，神出鬼沒，你無法預測它們下一刻會出現在哪。好消息是，有一類FRB能在同一個位置以同樣的色散量反覆出現（圖2上），我們把這一類FRB稱為重複暴。顯然，捕捉重複暴，守株待兔方為上策。

另一類FRB自然就被稱為「視」非重複暴。為什麼叫做「視」非重複呢？這是由於大部分源被觀測到的第一次事件均來自於盲搜的巡天（圖2下），只有進行「守株待兔」式的後續監測才能幫助我們斷定這些源是否具有重複性。目前發現的130多個源當中，有20個左右已被觀測認證是重複暴。到底是不是所有FRB都會重複呢，這是當前整個領域最亟待解決的問題之一。

圖2：快速射電暴的劃分為重複暴與「視」非重複暴。上圖：重複暴，圖片來源：Berkeley SETI Research Center)；下圖：「視」非重複暴，圖片來源：T.Jarrett, IPAC/Caltech; B.Saxton, NRAO/AUI/NSF

「留給我們的時間並不多」

目前所觀測到的重複暴大多數流量都比較低，為了解答是否所有快速射電暴都會重複的問題，我們需要一個非常靈敏的「狩獵工具」去對已知的爆發源進行監測。毫無疑問，最適合做這件事的望遠鏡就是我國的FAST望遠鏡。其超高的靈敏度，為探測非常暗弱的FRB提供了可能。

從已知的樣本來看，重複暴在流量普遍比較低的同時，色散量也不是特別高，可能離我們並不是很遙遠。相比而言，非重複暴看起來更加明亮，色散量範圍更廣，可能來自更遠的距離。這兩類FRB在光度[1]區間似乎有一個分界：低光度的暴大多數是重複暴，高光度的目前來看更像是一次性爆發。於是，我們對已知的FRB進行光度估算，選出幾顆低光度的源作為重複暴的候選樣本。

由於申請到的觀測時間非常有限，我們團隊必須對整個觀測計劃集中優化，選擇最有可能成功的觀測目標。首先，要計算信號源經過FAST天區的可觀測的時間有多少；其次，需要考慮源最初被探測時位置的不確定度，FAST同時探測區域的大小。最終，我們選擇FRB 180301作為優先觀測的目標。FRB 180301最初是由Parkes望遠鏡在2018年3月1日的觀測數據中探測到的，他們團隊的後續觀測並沒有發現任何重複暴。這顆源除了光度比較低，還有一個比較類似重複暴的特徵：較窄的輻射帶寬。我們的首要目標就是發現並證明這一個信號源是重複暴。

認證新的重複源

我們團隊的首次觀測於北京2019年7月16日上午10點正式開始，採用FAST的19波束接收機對FRB 180301的位置進行跟蹤，持續2小時。儘管這顆源從我們的理論預言上看很可能是重複暴，但我們並不能保證採用跟蹤模式就一定能探測到事件。

目前已有的觀測經驗告訴我們，重複源可能存在著活躍期與寧靜期（如FRB 121102），若觀測時間剛好處於重複源的寧靜期，就很難有收穫。而且，我們的19波束只能覆蓋Parkes望遠鏡最初探測到這個源時的波束大小的28%的區域，只要重複暴真實的位置落在波束無法覆蓋的空隙區域（72%的機率），我們就很難探測到爆發事件。

在數據傳輸完畢後，我們用自己的搜尋軟體進行處理，令人驚訝的結果出現了：在信號的候選體中發現了4例重複事件（圖3），全部出現在19波束接收機的第7號波束！其他波束在同時刻沒有任何事件，基本排除是射電幹擾的可能性，說明這是一個典型的FRB重複源。

非常幸運！我們成功捕捉到了FRB 180301的幾個重複暴！狡猾的狐狸終究沒能鬥過好獵手。這是中國天眼首次從已知的FRB源中認證重複暴！一切是那麼的出乎預料，卻又在情理之中。

圖3：FAST第一次觀測FRB 180301所發現的4次重複事件，圖片來源：Luo et al. 2020, Nature

偏振觀測的新發現

如果第一次觀測的目標在於確定重複性，探測到流量和譜分布，那麼後續觀測就是為了研究更詳細的輻射特性，例如：偏振光的性質。在確定重複暴的爆發率和位置後，我們在2019年9月和10月一共申請了3次後續觀測，旨在對其進行詳細的偏振測量和其他相關研究。守株待兔，我們如願在後來的10小時觀測中再探測到11個重複暴，其中7個比較亮的爆發有比較置信的偏振測量結果。喜出望外的是，我們的結果有兩個意想不到的新發現：

首先，我們發現，FRB 180301的若干個重複暴的偏振位置角（Position Angle）曲線呈現各不相同的特徵。以其中一個爆發為例（圖4上），我們看到偏振位置角從脈衝輪廓的起始到末尾都呈現一個上升的趨勢。相比之下，第一顆重複源FRB 121102的偏振位置角的分布卻非常平坦（圖4下）。偏振位置角的變化在很多脈衝星與磁星當中普遍存在，我們常稱之為位置角的「搖擺」（PA swing）。FRB 180301非常有可能產生於一顆類似脈衝星或者磁星的緻密天體，只不過它一次爆發釋放的能量要比普通脈衝星的高百萬倍以上。

圖4：重複暴FRB 180301與FRB 121102的偏振特性對比。上圖：FRB 180301，圖片來源：Luo et al. 2020, Nature；右圖：FRB 121102，圖片來源：Michilli et al. 2018, Nature

其次，我們可以對這些事件的法拉第旋轉進行準確的測量（圖5）。通過處理10月7號與8號觀測的數據，我們發現，在短短一天時間內，這個重複暴的法拉第旋轉量（RM）就有接近10%的幅度變化。這是在目前的FRB研究中，第一次在那麼短時間內測量到的法拉第旋轉的變化，說明產生FRB的緻密天體所處的磁場環境變化很快，不排除來自電離環境中湍流的影響。

圖5：電磁波經過具有磁場的環境時，電矢量方向產生的法拉第旋轉，圖片來源：Wikipedia

圖6：FRB 180301在一天時間內的法拉第旋轉量（RM）的變化，圖片來源：Luo et al. 2020, Nature

對起源的揭示

前沿領域不斷更新的觀測進展，驅使著理論學家們去思考FRB到底是怎麼來的。現在已發表的理論模型有一百多個，和已發現的FRB數目差不多。總的來說，有兩類輻射模型能解釋FRB射電輻射中極高的亮溫度[2]：一類是中子星磁層結構裡的相干輻射過程，另一類是中子星產生的相對論激波裡的同步脈澤輻射。

我們所觀測到FRB 180301的偏振特性給其中一類模型帶來了強力挑戰，即同步脈澤模型。該模型認為FRB的輻射來自緻密天體的噴射物產生的相對論激波，激波與星際介質相互作用發生同步輻射，稱之為同步脈澤。脈澤具有很高的亮溫度，以短時標的射電輻射形式傳播出去被我們探測到。脈澤也是在相干過程中產生的，具有很高的亮溫度。若其以短時標的射電波傳播出去，就可以解釋我們所看到的FRB輻射了。脈澤很難解釋偏振位置角變化的多樣性。理論上，從激波的任意位置產生的線偏振輻射，其偏振位置角應該是相同的。因此，這類模型預言的位置角的變化會非常平坦，似乎與FRB 121102目前的觀測符合得更好。以至於FRB理論領域在一段時間內，關於兩類輻射模型的爭論進入白熱化。

但真實的情況遠比我們想像的要複雜，FRB 180301所觀測到的多個爆發的偏振位置角的呈現「搖擺」趨勢。在脈衝星或者磁星的射電觀測中，偏振位置角的「搖擺」很常見，理論上認為這種高速旋轉的中子星的磁層動力學給偏振位置角的變化提供了條件。當中子星的輻射束掃過我們視線方向時，輪廓上每個時間點的偏振輻射來自於磁層的不同位置，這樣偏振位置角就產生了差異。磁層起源模型既可以解釋偏振位置角的「搖擺」，還可以解釋其平坦的特徵。這樣，偏振位置角會呈現多樣性分布。我們此次工作的的觀測證據表明，FRB的輻射更有可能產生於一個類似脈衝星或者磁星的緻密天體的磁層（圖7）。

圖7：擁有超強磁場的脈衝星或磁星，圖片來源：Casey Reed, Penn State University

總結與展望

綜上所述，我們用FAST對已知的快速射電暴進行針對性的監測，從中發現了一顆新的重複源，並在後續觀測中探測到類似於脈衝星和磁星的偏振特徵，暗示FRB很可能起源於具有極強磁場的年輕緻密星的磁層結構當中。本次研究的主要成果整理並發表在《自然》雜誌2020年10月28日的期刊上（Luo et al. 2020,Nature）。

快速射電暴雖然是一個非常新的領域，但近幾年發展得非常迅速，幾乎每半年，甚至每個季度都有新的重要發現。我們國家的FAST望遠鏡雖然才正式運行不久，但其得天獨厚的靈敏度優勢已經展現出來。毫無疑問，FAST是尋找重複暴的絕佳設備。目前，FAST已啟動「快速射電暴的搜尋和多波段觀測」的優先、重大項目。我們相信，隱藏在快速射電暴背後的那些謎團終將在不久的未來被徹底揭開。

作者簡介

· 羅睿：天體物理學博士，畢業於北京大學天文學系。目前在澳大利亞國家射電天文臺（ATNF）做博士後研究，研究的領域為時域射電天文學，包括快速射電暴、脈衝星、射電幹擾等。

· 王維揚：中國科學院國家天文臺博士研究生，研究的方向包括快速射電暴、脈衝星等。

· 姜金辰：北京大學天文學系博士研究生，研究的方向主要是脈衝星和快速射電暴的偏振輻射。

注釋：

[1] 天體在單位時間內輻射的能量，等同於輻射功率。

[2] 亮溫度是天體的輻射譜用黑體輻射去等效時，對應的熱平衡溫度。亮溫度越高，輻射的功率就越大。