面向世界科技前沿,面向國家重大需求,面向國民經濟主戰場,率先實現科學技術跨越發展,率先建成國家創新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設國際一流科研機構。

——中國科學院辦院方針

首頁 > 科學普及 > 科普文章

快速射電暴:宇宙物質分布的“探針”

2019-07-30 中國科學报 池涵
【字體:

語音播報

  澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)的ASKAP望远镜阵列探测并精确定位快速射电暴想象图 图片来源:CSIRO/ Andrew Howells博士

  澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)的ASKAP望远镜阵列,位于西澳大利亚的Murchison射电天文台 图片来源:CSIRO, Dragonfly Media

  快速射电暴(FRB)是一类持续时间为毫秒量级的超亮射电脉冲信号。从2007年第一次被发现至今,全球各地的射电天文学家已经公布了80多个独立的快速射电暴事件。然而此前,仅有重复快速射电暴FRB 121102被精确定位。

  近日,美国哈佛大学空间物理中心助理教授Vikram Ravi 和英联邦科学与工业研究组织澳大利亚国家望远镜中心研究员Keith. W. Bannister分别在《自然》和《科学》发表論文,实现了对两个非重复射电暴信号的定位。

  3.1秒的邂逅

  以我国为主的第一个快速射电暴信号的发现者、中科院紫金山天文台博士生张松波告诉《中國科學报》,此次发现是对一次性爆发的快速射电暴的精确定位,由来自澳大利亚平方公里阵探路者(ASKAP)项目组和来自美国的深天十天线阵列原型(DSA-10)分别独立地对非重复射电暴FRB 180924 和FRB 190523 进行了精确定位。

  張松波認爲,對非重複射電暴的定位相比于重複射電暴要更加困難。

  他告訴記者,望遠鏡的分辨率與波長成正比、與口徑成反比。單口徑射電望遠鏡必須建得足夠大,才能提供足夠的分辨率和靈敏度,才能探測到更暗或更遠的快速射電暴。

  而要將射電望遠鏡的分辨率提高到可以精確定位的標准,只能通過陣列實現。

  張松波說,這類望遠鏡陣列的基線長度可達數千米,角分辨率可達角秒以至亞角秒的量級。

  但陣列的搜尋方式卻會産生巨大的數據量,且會極大降低其搜尋視場。

  單口徑射電望遠鏡的分辨率不高,而射電望遠鏡陣列則因爲其視場限制和超大的數據處理量,很難直接探測到快速射電暴。

  此前,只有经单口径望远镜巡天确定了大致位置范围,再由射电望远镜阵列对准这个方向,重复射电暴才有被探测到的可能性。FRB 121102就是这样利用美国甚大天线阵(VLA)进行的精确定位。

  但重複快速射電暴的重複爆發頻率非常難以確定,往往在長時間沈寂後又在幾周或幾個月裏集中出現,想要探測依舊需要足夠的時間和運氣。

  張松波說,最新的這兩次發現,都是射電望遠鏡陣列對快速射電暴的直接觀測,是對快速射電暴實時搜尋能力的一個極大突破。

  這次的觀測所用的射電望遠鏡陣列數據量極大,而爲了提高視場,如ASKAP裝備的相位饋源陣列(PAF),會使其數據量在原基礎上提高30多倍,其最大吞吐量可達75TB/s,但只能實時緩存3.1秒用于成像的基帶數據。

  “也就是說,超過這個時間窗口,快速射電暴信號將失去被定位的可能。”張松波說。

  这就要求极高的数据处理能力,FRB 180924就是在探测到信号后281毫秒就得到了确认。

  這證實了利用射電望遠鏡陣列對快速射電暴進行直接觀測的可行性,張松波相信,必將有更多的快速射電暴被更多的射電望遠鏡陣列觀測到,並精確定位。

  謎一樣的遙遠閃光

  這兩次發現,極大地擴充了快速射電暴精確定位的樣本量。能夠對快速射電暴定位,給了天文學家們綜合其他數據、研究其成因的機會。

  中科院紫金山天文台研究员吴雪峰告诉《中國科學报》,关于FRB的成因已经有很多理论,现在还很难确定哪个是正确的,但基本都与致密星的特别活动相关,如双中子星或白矮星的合并、快速旋转的大质量中子星塌缩成黑洞等。

  此前,由于重复快速射电暴FRB 121102被精确定位于距离地球约30亿光年的亮度较暗、质量较小的矮星系中,所处位置恒星形成率较高,使得很多理论开始偏向这一方向。

  然而此次,FRB 180924 和FRB 190523的宿主星系距离地球分别为40亿光年和70亿光年左右,都是较明亮、大质量的星系,而且,恒星形成率非常低。

  “這使得快速射電暴的起源理論再次成謎,也提供了更多的可能性,或許FRB的起源確實就可以分爲兩種。”吳雪峰說。

  不論如何,通過定位證實快速射電暴確實起源于銀河系之外的遙遠宇宙深處,爲研究快速射電暴這一全新天文現象的理論工作提供了堅實的基礎,關于其超大能量(瞬間爆發的能量甚至可以超過太陽10年所提供的能量總和)的估計將不再只是一個假設。

  吳雪峰強調,而各類依據其宇宙學距離所做的物理應用,如對宇宙重子數密度的探尋等,都有了切實可行的依據和逐漸擴充的樣本。

  印證宇宙學命題的探針

  “FRB最直接的应用是作为星系际介质的探针,进而探究星系际介质的重子比例,这对于基础粒子物理和宇宙学的各类模型,都有着至关重要的作用。”中科院紫金山天文台副研究员魏俊杰告诉《中國科學报》。

  比如,通過對銀河系脈沖星射電脈沖信號的研究,科學家已經對銀河系的電子分布有了一個比較清晰的認識,如NE2001模型和YMW16模型,都對銀河系任何方向的電子數密度分布給出了一個比較准確的估計。

  而想要對銀河系外的電子數密度進行估計,以前基本只能靠理論估計,但現在,FRB給了科學家直接測量星系際介質自由電子數密度分布的契機。

  魏俊傑告訴記者,不同頻率的信號在穿過冷等離子體的時候,會産生不同的時間延遲,而這個延遲與頻率的平方成反比,因此頻率越低的信號延遲效應越明顯。通過測量某一個FRB信號的延遲,就可以得到這個方向的電子數密度。

  “這次對兩個FRB信號的探測和定位,使得FRB的起源討論被放在宇宙學的範圍上。”魏俊傑說。

  張松波則強調,宇宙之大,奧秘甚多,我們所知甚少,所以需要更多地去探尋。

打印 責任編輯:侯茜

© 1996 - 中國科學院 版权所有 京ICP備05002857號 京公網安備110402500047號

聯系我們 地址:北京市三里河路52号 邮编:100864