30亿光年外“灵光”乍现，中国“天眼”有望洞见宇宙之谜

快速射电暴（FRB）是宇宙中最明亮的射电爆发现象，在1毫秒的时间内能释放出太阳大约一整年才能辐射出的能量。不过对于这种现象的物理起源、辐射机制和周围环境等，至今尚不明晰，因此被称为“宇宙之谜”。
6月9日，来自中国“天眼”（FAST）的一项关于快速射电暴的研究成果登上国际学术期刊《自然》。该发现由中国科学院国家天文台李菂研究员领导的国际团队，通过FAST“多科学目标同时巡天（CRAFTS）”优先重大项目完成。这是迄今为止，人类发现的唯一一例持续活跃的重复快速射电暴。
遥远矮星系发出的强大射电波
这一最新发现的快速射电暴命名为FRB 20190520B，中国科学家还首次利用“天眼”（FAST）即500米口径球面射电望远镜，对其进行了精准定位——位于一个距离地球30亿光年的矮星系。
中国大型望远镜探测到从遥远矮星系发出的强大射电波爆发，将推动科学家更好地理解快速射电暴这一宇宙神秘现象。这种现象涉及源自银河系和其他星系内部的射频电磁辐射脉冲，射电波在电磁波谱中具有最长的波长。
“我们仍然将快速射电暴称为‘宇宙之谜’，这是理所当然的。科学家已经提出很多假设试图解释这种现象。”这项最新研究的共同通讯作者、FAST首席科学家李菂表示。

2007年，美国天文学家邓肯·洛里默首次发现了快速射电暴现象的存在。天文学家普遍认为快速射电暴（FRB）与致密天体，特别是具有强磁场的致密天体爆发活动等有关。
洛里默对这项最新的研究评价称：“基于FRB 20190520B这些特征及其持续射电源的存在，我认为快速射电暴可能有不同的分类。随着快速射电暴样本的持续增长，预计未来几年内，我们能够揭开快速射电暴的神秘面纱。”
天文学家怀疑这些爆发可能是由某些极端物体释放的。这些物体可能包括中子星；大质量恒星在生命周期结束时致密坍缩的核心爆炸成为超新星；一种具有超强磁场的中子星，或者是一个黑洞正在吞噬一颗邻近的恒星。
李菂表示，对于快速射电暴的不同解释模型，反映了科学家对这种现象仍然缺乏了解。而新的发现也将有助于科学家进一步确定这些射电暴发生背后的原因。
观测发现，快速射电暴中很小部分会重复爆发。在重复爆发的活跃期，天文学家可以有准备地实施定位和监测，从而解决快速射电暴的起源与演化等科学问题。
目前，全球已公布了近500例快速射电暴，仅不到10例在其窗口期内频繁爆发；而此前并未发现存在持续活跃的重复快速射电暴。此外，天文望远镜探测的多数快速射电暴图像分辨率较差，从而很难精确定位爆发位置。
2016年，天文学家曾发现首例重复快速射电暴FRB 20121102A，这也是首个被精确定位的快速射电暴，与此次新发现的FRB 20190520B非常相似。但FRB 20190520B是目前发现的唯一一例持续活跃重复爆发的快速射电暴，爆发次数已经达到几百次。
“上述发现揭示了活跃重复暴周边的复杂环境有类似超亮超新星爆炸的特征，挑战了对快速射电暴色散分析的传统观点，为构建快速射电暴的演化模型、理解这一剧烈的宇宙神秘现象打下了基础。”李菂表示。
上海天文台助力精确定位
李菂还表示，FAST的观测工作更倾向于从持续重复活跃的射电暴中发现“新生”事件的线索，例如从超新星等极端爆炸事件中诞生的射电暴。“这些重复活跃的射电暴非常年轻，刚刚诞生不久，否则我们将无法观测到它们。”李菂说道。
加州理工学院的天文学家和研究合著者凯西·劳（Casey Law）表示：“快速射电暴是强烈的、短暂的射电光闪光，可以在整个宇宙中被看到。但爆发在大约仅一毫秒，远远快于眨眼的工夫。一些快速射电暴的来源可能像是活跃的多次爆发，但另一些来源只被发现爆发过一次。”
据介绍，论文第一作者、国家天文台青年学者牛晨辉在系统处理FAST数据时发现，2019年5月20日的数据存在重复的高色散脉冲。之后，团队通过组织多台国际设备天地协同观测，综合射电干涉阵列、光学、红外望远镜以及空间高能天文台的数据，将FRB 20190520B定位于一个距离地球30亿光年的矮星系。
科学家还发现，该快速射电暴定位矮星系的近源区域拥有目前已知的最大电子密度，并发现了迄今第二个快速射电暴持续射电源对应体。
上海天文台在快速射电暴的定位方面作出了贡献。基于该原始发现以及后续多次FAST观测得到的角分级定位，上海天文台余文飞研究员领导的观测课题组联合国家天文台李菂团队，于2020年5月和7月先后通过美欧雨燕天文卫星（Swift）与FAST空地同时观测以及美国甚大阵射电望远镜（VLA）机遇性观测，搜寻持续和短时标多波段对应体，尝试对FRB 20190520B实施百倍以上的精确定位。
“FRB 20190520B是FAST至今发现的大约6例快速射电暴中第一个被精确定位的快速射电暴。”余文飞表示，“通过与国家天文台团队合作，结合我国FAST的高灵敏度和美国甚大阵列的定位优势，我们实现了针对FRB20190520B由FAST发现到美国甚大阵射电望远镜的精确定位。”
FAST是世界上最大的单口径射电望远镜，其信号接收面积相当于30个足球场，该望远镜的主要工作是捕获天体，尤其是脉冲星发出的无线电信号。自2019年起，FAST首次用于观测快速射电暴。
FAST“多科学目标同时巡天（CRAFTS）”优先重大项目迄今已经发现至少6例新FRB，正在为揭示宇宙中这一神秘现象的机制、推进天文学这一全新领域的研究做出独特的贡献。
“FAST能够敏感地探测到射电暴，但是现在科学家们还没有解释这个强烈爆发的射电来源到底是什么？比如是否与超新星爆发有关，因为中子星存在于超新星爆发后的环境里，这都是未来需要进一步探索的。”一位天文物理专家对第一财经记者表示。
上述专家解释称，此前，科学家们假设快速射电暴是由超新星爆发之后留下的致密残余物引起的，最新发现的这个快速射电暴位于致密环境中。科学家推测可能是由超新星释放的物质引起的，并导致了中子星的产生。但随着时间的推移射线暴会逐渐分散直至消失。
1993年诺贝尔物理学奖获得者约瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）教授曾对第一财经记者表示：“FAST早在调试阶段就发现了100个脉冲星和多起磁暴现象令人惊叹。”他认为，为了能够获得最大程度的数据，应该珍惜射电望远镜的工作时间，提升射电望远镜的效率。
欧洲南方天文台（ESO）荣誉天文学家迪特里希·巴德（Dietrich Baade）教授也对第一财经记者表示：“我们很高兴看到FAST正在向全球的天文学家开放，这将有助于推动全球天文学领域的发展，包括对外星生命的探索。”

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