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亚博加拿大CHIME望远镜探测到FRB快速射电暴

发布时间:2019-02-05 作者:亚博

这两天,随着一个新的天文发现被国内某些媒体报道,“外星人”要来了的消息席卷了部分人的朋友圈。

具体的发现是这样的:一支加拿大科学团队发现了史上第二次重复快速射电暴(FRB),研究成果以两篇论文的形式 9 日在线发表在《自然》杂志上,介绍了包括这次 FRB 在内的 13 个最新探测到的射电暴。而在此之前,人类仅发现过一个 FRB,这一新源头的出现,将极大促进天文学家对这种神秘河外射电束的理解。

加拿大CHIME望远镜探测到FRB快速射电暴

英国《自然》周刊9日载文说,加拿大氢强度测绘实验(CHIME)射电望远镜2018年夏天测试期间13次探测到快速射电暴,其中代号FRB180814.J0422+73的快速射电暴最令天文学家兴奋,自从2018年8月14日首次出现以来,这个快速射电暴又在15亿光年外的宇宙深处重复出现了至少5次。

15亿光年外遥远的无线电波信号涌入到这里,这款叫CHIME望远镜能够快速捕捉射电暴。如果说之前脉冲星意外发现神秘伽马射线脉冲是一个神秘惊喜的话,那21世纪最神秘惊喜就是快速射电暴(FRB),因为它意味着是某种能量极强的事件在遥远的地方发生,我们在地球上观察到的就是短暂的无线电波脉冲。快速射电暴是一个激动人心的谜团,目前我们无法解释FRB究竟是意味着什么?我们有很多猜想。

这款望远镜位于加拿大不列颠哥伦比亚省,全名叫氢强度映射试验望远镜,我们简称CHIME,它不是你想象当中望远镜的样子,这台物理望远镜没有可移动部件,它只有20米宽100米长的金属槽,可是它所探测到的区域十分巨大,这是他们的优势之一。金属槽的设计可以看到天空中一个条形的范围,随着地球自转这个条形每24小时在整个天空扫过一圈。此次发现的射电暴达到了前所未有的量级,是迄今为止找到的快速射电暴的几百倍,在世界所有望远镜中,这款望远镜的发现射电暴的效率是最高的。

它是通过不断产生数据,大约是普通射电望远镜数据的100倍,因此计算的难度相当大,而且快速射电暴的数据是实时流动的,所以说CHIME可以称的上是这个领域的探路者或者说是领军者,在实时的快速射电暴系统中,每组数据只能看一眼,因为一秒之后数据就消失了,所以说建立这个系统是一个真正的挑战,可以说是软件开发中一个不同以往的拦路虎。在前期刚开始研究FRB的几周时间内,发现的快速射电暴是两天一个左右。 

FRB 是一种来自银河系之外的遥远无线电波短脉冲,由于是无线电,一直都有人想当然地就认为它的出现与外星智慧文明有关,进而故意夸大甚至混淆它最有可能的产生机制。这一次该发现在国内的传播也属于这种情况。目前科学界对其了解仍然非常有限,只知道它是从非常强大的磁场中发射出来的,但来源是什么根本仍毫无头绪,这也是为什么科学界鲜有发现 FRB 就判断它与外星智慧有关的最主要原因。

快速射电暴是一种持续时间只有几毫秒的无线电波爆发事件。自从2007年首次发现以来,天文学家共探测到60多次快速射电暴。其中,只有波多黎各阿雷西沃天文台2012年探测到的代号FRB121102的快速射电暴重复出现过,据推测源自地球25亿光年之外的遥远星系。

快速射电暴被认为是一种频繁发生的宇宙现象,但科学家对其发生原因尚不清楚。这次研究的通讯作者、麦基尔大学天文学家什里哈什·滕杜卡尔认为,快速射电暴可能由“稠密、动荡的寄主星系”产生,重复出现排除其“灾难性源头”的可能。“例如,两颗中子星合并,或者中子星被黑洞吞噬,不可能产生快速射电暴。”

这些快速射电暴能量极强、频率很高。我们所在星系中最相近的类似物(脉冲星)比它们微弱万亿倍。我们想要搞清楚,它们究竟是什么天体发出的、它们与其它已知的宇宙中的爆炸和天体(比如伽马射线、超新星和中子星等)有什么关系。了解这些后,我们对宇宙就会有更完整的认知。

这些快速射电暴还能帮助我们,不用现有已知手段,就确认宇宙中的电磁场分布。这样,我们就能研究宇宙结构和天体的分布。

认为“射电暴来自外星文明”的想法完全没有任何依据。针对快速射电暴的产生原理,我们制作了很多不同的模型。目前,因掌握的快速射电暴数据很少,很难对大部分模型做排除,但此次发现,使一些大爆发模型和一些不会产生任何低频射电暴的模型遭到怀疑。真的没有任何理由认为快速射电暴来自外星文明或者外星人。

这一次的发现则是在新探测器试运行期间发现的,其最重要的价值,一方面是证明了新探测器的效果还是比较优异,有望在未来 FRB 数据采集工作中发挥重大作用,另一方面也预示着,可能存在更多的 FRB。

在 CHIME 开始收集数据之前,有科学家认为它设计涵盖的无线电波长频率太低,不足以探测到快速射电暴。已知的快速射电暴,大多数频率都接近 1400 赫兹,远高于 CHIME 400 到 800 赫兹的探测范围。

然而,团队发表于 1 月 9 日《自然》的两篇研究表明(于同日在西雅图举行的美国天文学会的会议上进行了展示),这些怀疑都是多余的,因为他们探测到的 13 个快速射电暴,大多数都远低于 CHIME 所设定的频率上限。其中一些的频带底部信号非常亮,这表明其他潜在快速射电暴的频率可能比 400 赫兹还要低。

被检测到的 13 个快速射电暴中,大多数都有“散射”的迹象,这揭示了无线电波源的周围环境。根据观测到的散射量,研究人员得出结论,认为快速射电暴的来源是强大的天体,并更有可能位于特殊位置。

“无论这些无线电波源自哪里,看看它能产生多大范围的频率都是很有趣的。有一些模型的来源,从本质上就无法产生低于某一特定频率的任何东西,”麦吉尔大学的 Arun Naidu 说。

“(我们现在知道) 这些源可以产生低频无线电波,这些低频电波可以逃离它们的环境,当它们到达地球时,不会因为太分散而无法被探测到。这能告诉我们一些关于快速射电暴所处的环境和来源的信息。我们还没有解决这个问题,但至少谜题中又多了些线索。”来自加拿大国家研究委员会(National Research Council of Canada)的小组成员 Tom Landecker 表示。

曾经观测到的FRB

综合各射电望远镜的观测数据,截止到 2017 年 1 月,共有 17 个非重复快速射电暴和 1个重复快速射电暴 (FRB 121102) 被探测到。对于非重复快速射电暴,除了 FRB 110523是在 800 MHz 波段被美国绿岸望远镜 (Green Bank Telescope,简称 GBT) 观测到之外,其他16 个非重复暴均在 1 400 MHz 波段被 Parkes 观测到。

而对于重复快速射电暴 FRB 121102,自 2012 年它被美国阿雷西博射电望远镜 (Arecibo Radio Telescope,简称 Arecibo) 探测到 1次爆发后,在 2015 年和 2016 年又被 GBT 和美国甚大天线阵 (Very Large Array,简称 VLA)先后探测到 25 次爆发。其中 12 次爆发是在 1 400 MHz 波段被 Arecibo 观测到, 5 次爆发是在2 000 MHz 波段被 GBT 观测到,而 VLA 在 3 000 MHz 波段观测到了其余 9 次爆发事件 (在这 9 次爆发中,有 3 次同时也被 Arecibo 观测到)。

这些重复爆发现象说明 FRB 121102 可能与其他非重复暴并不相同,代表了快速射电暴的新类别。人们认为重复快速射电暴可能起源于软伽马重复暴、脉冲星穿过小行星带,或者中子星-白矮星双星系统等。 

对FRB的研究期待

快速射电暴是人们观测到的最神秘的天体爆发现象之一,也是进展很快的领域。

从 2007年第一个快速射电暴被发现之后,截至 2017 年 1 月,已有 17 个非重复快速射电暴和 1 个重复暴被观测到。对于重复快速射电暴 FRB 21102,人们已经观测到其多波段对应体,并将定位精度提高到亚角秒量级,证认出宿主星系,并精确测定其红移。

但遗憾的是,其他大量非重复暴的宿主星系和红移并没有得到严格证认,因此,快速射电暴的起源和物理本质尚不清楚。如果快速射电暴的确起源于河外,那么其在射电波段释放的能量可以达到 1031 ∼ 1033 J。

这么巨大的能量和光度,使之有望成为研究宇宙学的一个有力工具,如有助于测定宇宙中天体的距离、测量宇宙中的电子密度,甚至检验爱因斯坦等效原理,乃至检验光子静止质量非零假设等。

此外,还可以通过色散延迟空间的畸变分析宇宙物质分布的成团性,测量宇宙大尺度结构。快速射电暴的毫秒时标和强流量暗示它们的前身星可能是致密天体。而一些可能的前身星模型中,如双中子星碰撞或者带电黑洞的并合,可能会伴随着伽马射线暴和引力波辐射。

最新的观测结果表明, FRB 110314 存在一个可能的伽马波段的对应体,其在爆发时的各向同性能量可高达 5 × 1044 J。针对这些关联爆发的观测和理论研究有可能是快速射电暴研究的下一个突破口,将是未来关注的重点。

作为世界上最大的单口径射电望远镜,中国的 500 m 口径球面射电望远镜 (Five-hundredmeter Aperture Spherical Radio Telescope,简称 FAST) 已于 2016 年 9 月初步建成。 FAST的有效口径为 300 m,天顶角可以达到 40◦,目前可开展低频射电波 (70 MHz ∼ 0.5 GHz) 和中频射电波 (0.5 ∼ 3 GHz) 的观测,覆盖了目前快速射电暴的主要观测波段 (1 400 MHz 波段)。

因此, FAST 对快速射电暴的观测十分值得期待。 研究者分析了 FAST 对快速射电暴的观测率,他们预计在 1 000 h 的观测时间内, FAST 可以观测到 5 ± 2 个快速射电暴。我们期待 FAST 尽快开展相关观测,为人们提供更多的快速射电暴样本。

总之,尽管快速射电暴的研究已经取得一些初步进展,但目前的观测资料依然非常缺乏。许多基本的问题,如起源、喷流效应、辐射机制等,都没有得到解决。而随着新的观测结果不断出现,一些新的问题,比如快速射电暴的分类、重复爆发现象、伽马波段对应体、引力波辐射等,也在不停出现。我们期待更多的仪器能够投入到相关观测中来,以便观测到更多的快速射电暴样本及它们的多波段对应体,从而证认宿主星系和准确测定红移,提供可靠的观测证据。

随着对快速射电暴的观测和理论研究的不断深入,人们将逐步揭开快速射电暴的本质,同时也为更多天体物理学的研究提供新的手段。

亚博加拿大CHIME望远镜探测到FRB快速射电暴


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