建模未知：研究射电暴的新工具

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作者：本·卡塞塞（Ben Cassese）

翻译：杨幸允

校对：牧夫校对组

编排：张莹

后台：朱宸宇

https://aasnova.org/2024/05/24/modeling-the-unknown-a-new-tool-for-radio-bursts/

加拿大氢强度映射实验（CHIME），探测到了许多快速射电暴的基地。图片来源：CHIME合作团队

暂现射电源从何而来？天文学家们仍然不清楚，但这并不会阻挠他们对这些神秘闪光进行建模观测。

为一个谜团建模

想象这么一个瞬间：一位射电天文学家接到了提示说他们的望远镜刚刚记录到天空中出现了一些奇怪的东西。他们的计算机说，在不到一毫秒的时间里，它探测到了一个短暂的强大射电波（恰如其分地被称为快速射电暴），但人们还没意识到发生了什么，射电波就已经消失了。那是什么？

在天文学中的某些领域，接下来的步骤是显而易见的。科学家们需要写出一个模型来模拟某个已知系统的物理过程，然后调整模型的输入参数，直到模型的输出结果与他们（观测到）的数据相似。不过，这位射电天文学家就没那么幸运了。因为尽管有很多好的想法和很多理论家的积极研究，科学家们仍然不知道快速射电暴的来源。

那这位射电天文学家该怎么办呢？当你不知道是什么原因导致了你刚刚观察到的现象时，你又怎么能拟合出一个模型，并做进一步了解呢？这就是由西弗吉尼亚大学的伊曼纽尔·丰塞卡（Emannauel Fonseca）领导的最新论文的作者们要解决的问题。

一个新工具

丰塞卡和他的合作者创建了一个可变的模型；它能够再现很多不同的脉冲形状和大小，然后将其全部编码为一个名为 fitburst 的开源 Python 软件包。其中像频散度量这样的输入参数，与现实中的物理量相对应，并且丰塞卡和合作者们考虑了他们能力所及的所有现实物理量。但是，其他输入参数只负责给科学家们一些启发。在他们的模型中拟合所有参数并不能告诉你为什么某些频率的射电波强度低而另一些频率的强度高，但这个模型可以告诉你频率和峰值亮度之间的关系。

这是向建立更完整的快速射电暴理论迈出的关键一步，因为它允许科学家在不完全了解根本原因的情况下对观测到的射电暴进行分类。天文学家们已经注意到快速射电暴似乎至少有几种明显不同的类型。有了 fitburst 这样的工具，他们就可以开始量化这些射电暴之间的差异了。

观测到的快速射电暴（左），fitburst模型的拟合结果（中），残差（右）。图片来源：Fonseca et al. 2024

细致和全面的工具

丰塞卡和研究小组还推导出了每个输入参数的导数的解析表达式。这样一来，他们“解锁”了一组依靠这些额外导数信息来确定最佳参数的强大模型拟合算法。在与快速射电暴的实际观测结果进行的一系列比较中，丰塞卡和研究小组令人信服地证明了这些算法能够找到最佳拟合解，而且这些解与观测数据非常相似。

令人兴奋的是，研究人员还指出，fitburst模型非常灵活，可以拟合其他类型的脉冲。虽然这个模型主要是针对快速射电暴设计的，但也可以用来分析脉冲星和其他暂现射电源的观测结果。研究小组鼓励所有射电天文学家都来试试 fitburst；他们自己已经列出了正在进行的四个不同项目。就像它所模拟的神秘闪光一样，fitburst的未来是光明的。

论文原文：

“Modeling the Morphology of Fast Radio Bursts and Radio Pulsars with fitburst,” E. Fonseca et al 2024 ApJS 271 49. doi:10.3847/1538-4365/ad27d6

责任编辑：郭皓存

牧夫新媒体编辑部

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