快速射电暴起源：找到2亿光年外的烟花

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翻译：葛文迪

校对：牧夫校对组

编排：张莹

后台：朱宸宇

https://scitechdaily.com/astronomers-pinpoint-origins-of-mysterious-signal-that-traveled-200-million-years-to-reach-us/

这个概念图展示了快速射电暴的宇宙光爆炸现象。

马克·罗斯

这个短暂的宇宙烟花可能起源于一个遥远中子星周围动荡的磁层。

快速射电暴是极紧凑天体（如中子星和黑洞）发出的短暂而明亮的无线电波爆炸。这些短暂的烟花持续时间仅为千分之一秒，却能携带巨大的能量——足以短暂地使整个星系黯然失色。

自2007年首次发现快速射电暴（FRB）以来，天文学家已经探测到数千个FRB，其位置从我们自己的星系到80亿光年之外不等。这些宇宙射电爆发是如何产生的，是一个高度争议的问题。

现在，麻省理工学院的天文学家利用一种新颖的技术，确定了至少一个快速射电暴的起源，这种技术也可以用于其他FRB。在他们发表于《自然》杂志上的新研究中，研究团队专注于研究FRB 20221022A——一个之前发现的快速射电暴，它来自一个大约2亿光年之外的星系。

研究团队进一步缩小了范围，通过分析其类似于夜空中星星的“闪烁”，来确定无线电信号的精确位置。科学家们研究了FRB亮度的变化，并确定这次爆发必须来自其源头的附近，而不是像一些模型预测的那样更远的地方。

研究团队估计，FRB 20221022A是从一个非常靠近旋转中子星的区域爆发的，距离最多10,000公里。这比纽约和新加坡之间的距离还要短。在如此近的距离内，爆发很可能来自中子星的磁层——一个围绕超紧凑恒星的高磁场区域。

研究团队的发现首次提供了确凿的证据，表明快速射电暴可以起源于磁层，即围绕极紧凑天体的高磁场环境。

“在中子星的这些环境中，磁场真的达到了宇宙所能产生的极限，”首席作者肯齐·尼莫说，她是麻省理工学院卡夫利天体物理与空间研究所的博士后。“关于这种明亮的无线电发射是否能从那种极端等离子体中逃脱，一直有很多争论。”

麻省理工学院物理学副教授Kiyoshi Masui说：“在这些高度磁化的中子星（即磁陀星）周围，原子无法存在——它们会被磁场撕裂。令人兴奋的是，我们发现那些磁场中储存的能量，靠近源头的地方，正在扭曲和重新配置，以至于它可以以无线电波的形式释放出来，我们可以在宇宙的另一半看到。”

爆发规模

近年来，探测到的快速射电暴数量不断增加，这要归功于加拿大氢强度测绘实验（CHIME）。该射电望远镜阵列由四个大型固定接收器组成，每个接收器的形状像半管，它们被调谐以探测对快速射电暴高度敏感的无线电发射范围。

自2020年以来，CHIME已经从宇宙的各个角落探测到数千个FRB。虽然科学家们普遍认为这些爆发起源于极紧凑的天体，但产生FRB的确切物理过程尚不清楚。一些模型预测快速射电暴应该来自围绕紧凑天体的动荡磁层，而另一些模型预测爆发应该起源于更远的地方，作为从中心物体传播开来的冲击波的一部分。

为了区分这两种情况，并确定快速射电暴的起源，研究团队考虑了闪烁——当来自小而明亮的光源（如恒星）的光通过某种介质（如星系的气体）时发生的效果。当星光通过气体时，它会以一种方式弯曲，使远处的观察者看起来像是恒星在闪烁。物体越小或越远，它闪烁得越厉害。来自更大或更近的物体（如我们太阳系中的行星）的光，经历的弯曲较少，因此不会闪烁。

研究团队认为，如果他们能够估计FRB闪烁的程度，他们可能就能确定FRB起源区域的相对大小。区域越小，爆发就越靠近其源头，也越有可能来自磁性动荡的环境。区域越大，爆发就越远，支持FRB来自远处冲击波的观点。

闪烁模式

为了测试他们的想法，研究人员观察了FRB 20221022A，这是一个2022年被CHIME探测到的快速射电暴。信号持续时间约为两毫秒，在亮度方面，它是一个相对普通的FRB。然而，研究团队在麦吉尔大学的合作者发现FRB 20221022A表现出一个突出的特性：爆发的光高度偏振，偏振角度呈现出平滑的S形曲线。这种模式被解释为FRB发射点正在旋转的证据——这一特性以前在脉冲星中观察到过，脉冲星是高度磁化的旋转中子星。

在快速射电暴中看到类似的偏振是首次，表明信号可能起源于中子星的近邻区域。麦吉尔团队的结果在《自然》杂志的配套论文中报告。

麻省理工学院的团队意识到，如果FRB 20221022A起源于靠近中子星的地方，他们应该能够利用闪烁来证明这一点。

这个概念图展示了一颗中子星从其磁场环境中发出射电波束，当射电波穿过星系内的密集等离子体时，它们会分裂成多条路径，导致观测到的信号在亮度上闪烁。

图片来源：Daniel Liévano

在他们的新研究中，Nimmo和她的同事们分析了CHIME的数据，并观察到亮度的急剧变化，这表明了FRB在闪烁。他们确认在望远镜和FRB之间有气体正在弯曲和过滤无线电波。然后，研究团队确定了这种气体可能的位置，确认FRB宿主星系内的气体对观察到的闪烁有影响。这种气体充当了天然透镜，使研究人员能够放大FRB的位置，并确定爆发来自一个非常小的区域，估计宽度约为10,000公里。

Nimmo说：“这意味着FRB可能在距离源头数十万公里之内，这是非常近的距离。相比之下，如果我们假设信号来自冲击波，我们预计信号会在数千万公里之外，我们将看不到任何闪烁。”

Masui 说：“从2亿光年的距离放大到10,000公里的区域，就像能够在月球表面测量2纳米宽的DNA螺旋一样，这里涉及的尺度范围令人惊叹。”

研究团队的结果，结合McGill团队的发现，排除了FRB 20221022A起源于紧凑天体外围的可能性。相反，这些研究首次证明快速射电暴可以非常接近中子星的高度混乱的磁场环境中产生。

Masui 说：“这些爆发总是在发生，CHIME每天都可以探测到几个，它们可能在发生的方式和地点上有很大的多样性，这种闪烁技术将非常有助于了解产生这些爆发的各种物理过程。”

麦吉尔大学的研究合著者Ryan Mckinven说：“偏振角度的模式与我们银河系中脉冲星所见的惊人相似，以至于最初有人担心该源头实际上不是一个FRB，而是一个被误分类的脉冲星。幸运的是，在光学望远镜收集的数据的帮助下，这些担忧都消除了，光学望远镜的数据证实FRB起源于数百万光年之外的星系。”

Mckinven解释说：“偏振测量是我们探测这些遥远源头的少数工具之一， 这一结果可能会激发对其他FRB中类似行为的后续研究，并促使理论努力调和它们偏振信号的差异。”

责任编辑：郭皓存

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