[摘要]最近，fuqinjie天文学家首次对非重复的“快速射电暴“进行了精确定位，剑指40亿光年外的一个星系。国家天文台博士研究生王维扬对这个事件以及重复“快速射电暴”的低频对应体事件进行了专业解读。
大家是否还记得年初那篇《外媒炸裂！真是外星人？宇宙深处神秘信号到底要不要回应？》的自媒体文章？其实是一种叫“快速射电暴“的自然现象。
最近，天文学家首次对非重复的“快速射电暴“进行了精确定位，剑指40亿光年外的一个星系。国家天文台博士研究生王维扬对这个事件以及重复“快速射电暴”的低频对应体事件进行了专业解读。
腾讯科技 文/ 王维扬 国家天文台博士研究生
2019年6月28日，我同平常一样打开arXiv，两篇关于快速射电暴的文章引起了我的注意。
其中一篇文章讲述了ASKAP团队实现了对非重复快速射电暴的精确定位，这是一篇快速射电暴领域非常重要的工作，当天上午我的朋友圈便被这项工作“刷爆”了。而另一篇，是关于CHIME搜寻到第一个重复暴低频辐射的文章，可能并不起眼，但也是一篇重要的工作。
FRB简介
快速射电暴，英文缩写FRB，是指一种毫秒量级亮度极高的射电辐射现象。FRB最早于2007年，被Duncan Lorimer教授于Parkes的历史搜寻中找到（Lorimer et al. 2007）。随后，全世界各大射电望远镜纷纷投入FRB的探测中，目前，公布的FRB已有将近100个，可重复的FRB两个。FRB通常具有较高的色散量（DM~100-2600 pc cm^-3），对比FRB方向上银河系等离子介质DM的贡献，人们发现FRB应该是一些银河系外的起源。如果我们追溯“FRB”一词的历史，会发现它最早使用于云南天文台学者1989年对太阳射电辐射爆发的研究中。当然，这个FRB并不是我们今天要提的这种流量极高的短快外星系射电暴。
图1 天体物理数据系统中搜索到最早的FRB一次出现的结果。
如果我们假设FRB的辐射是各向同性的，我们发现FRB的亮度可以达到太阳的几千万甚至几百亿倍。能够在如此短的时间内产生如此强大的辐射，致密天体的活动成为了FRB最有可能的起源。然而，FRB究竟来自于怎样的天体活动过程，尚无定论。为了进一步揭开FRB起源的神秘面纱，全球科学家正在不懈地探索中。
FRB的精确定位始终是一个难题。由于这种辐射发生的时间太短，我们很难精确地给出FRB在天区中的位置，当然如果它们有重复，“一次不行，两次；两次不行，更多次”， FRB重复暴的发生降低了我们定位的难度。可目前看来，并不是所有的FRB都具有重复性，重复暴或许只是FRB家族中一些极端分子。
图2. 澳大利亚的ASKAP望远镜阵列，图片来自
图3. ASKAP对FRB 180824的观测结果。（图片源自Bannister et al. 2019）
非重复FRB的精确定位
最近，ASKAP团队首次实现了非重复FRB 180924的精确定位。ASKAP是一个位于澳大利亚，由36个单天线组成的射电望远镜阵列。在其处于调试运营阶段时，ASKAP团组便成功捕获了20多个FRB信号。本次使用天线干涉模式的观测，大大提高观测精度。
2018年9月24日的运行观测中，一例名为FRB 180924的事件被成功捕获，并且后续的跟踪观测中，暂未发现其重复性。科学家们通过联合光学波段的观测结果，成功确认了FRB 180924位于一个名为DES J214425.25-405400.81的早型漩涡星系中，定位精度可达0.04角秒，如图4所示。进一步研究宿主星系一些元素谱线的红移特征，发现这个宿主星系的红移约为0.32，推算它距离我们大约40亿光年。高精度的定位显示这个FRB源的位置，距离宿主星系中心大约4 kpc，即1.3万光年的位置。因此，这个FRB并不位于漩涡星系的中心，表明它的起源很可能与超大质量黑洞的爆发无关。
讲到这里，笔者忍不住对比第一个重复暴FRB 121102的观测结果。重复暴FRB 121102早在2017年就认证了它的宿主星系（Chatterjee et al. 2017），其宿主星系是一个矮的恒星形成星系。这个宿主星系距离我们大约30亿光年，红移约为0.19。我们发现FRB 121102和FRB 180924两者的宿主星系截然不同。非重复FRB 180924的宿主星系恒星形成率非常低，且宿主星系贡献的DM看上去也比该重复暴的小一些。这似乎暗示我们，重复暴和非重复暴可能具有不同的物理机制。
科学家还在FRB 121102附近（40 pc以内的区域）发现了一个持续产生射电辐射的天体，这个天体究竟是什么至今尚不清楚。类似的持续射电源尚未在非重复暴中被观测到。对比另一个重复暴FRB 180814.J0422+73，至今还没有在这个重复暴附近找到持续射电辐射的天体的踪迹。
当电磁波穿过磁化等离子时，电磁波的偏振面在磁化等离子体内以前进方向为轴不断旋转，这种现象现象称为Faraday旋转效应。通过电磁波的偏振测量可以计算出Faraday旋转量。法拉第旋转量（RM）正比于等离子媒介的数密度于沿传播方向磁场分量的路径积分，故而反映了传播路径上的磁场强度。观测发现，FRB 180924的RM只有14 rad m^-2，远远小于重复暴FRB 121102。重复暴FRB 121102的RM 约为100000 rad m^-2，这表明它应该处于一个磁场环境极高的环境中(Michilli et al. 2018)。如此高的RM值，目前还没有在其他FRB中找到。此外，FRB 180924的线偏振成分大约为80%，而FRB 121102则高达100%。这似乎暗示我们，FRB 121102具有极其特殊的电磁场环境。重复与非重复FRB电磁环境的差别，是否会表明它们具有不同的起源，这是一个值得研究的问题。
图4. FRB 180924的宿主星系。射电暴源位于图中的Galaxy A之中。（图片源自Bannister et al. 2019）
FRB 121102的低频对应体
重复FRB的研究，一直以来都被许多科学家所关注。重复暴不仅有利于实现FRB的精准定位，还可能携带了更多关于FRB起源的物理信息。由于望远镜探测频段的限制，科学家先前只在1-8 GHz频段探测到了FRB 121102的射电信号。“加拿大氢强度测绘实验”射电望远镜（CHIME）的观测频段为400-800 MHz，相对其他望远镜较低。随着CHIME的投入使用，13位新的FRB成员加入射电暴大家庭，并且重复暴不再是独一无二的个例。
就在arXiv上公布非重复暴定位的同一天，CHIME团组公布了他们在低频波段找到FRB 121102的低频对应体。值得一提的是，在低频波段的消色散图像中，同样发现了子脉冲的时间-频率漂移结构。根据经典的电磁场理论，不同频率的电磁波穿过等离子介质时，具有不同的群速度，这会导致高频电磁波早于低频电磁波到达接收机，这种现象叫做色散。处理分析射电脉冲信号的过程中，消除色散的影响是非常重要的一环。Hessels等于2018年发现，重复暴FRB 121102在1-8 GHz波段，即使扣除了星际介质色散的影响，依然不能将所有频率的脉冲信号调整到同一到达时间。FRB 121102的消色散图像中，存在一些子脉冲结构，每个子脉冲的中心频率都不相同，且具有不同的到达时间，这一现象被称为时间-频率漂移。
本次低频探测中，CHIME看到了类似的漂移结构，如图5所示。实际上，这种漂移结构在重复暴FRB 180814.J0422+73也被探测到了（CHIME/FRB Collaboration et al. 2019），这表明时间-频率漂移结构极有可能是重复FRB的共同特征，而目前非重复暴中，还没有探测到这一现象的报道。细心地读者会发现，所有的子脉冲漂移率均为负值，即消色散后的高频子脉冲优先低频到达接收机。如果这一现象来自星际等离子透镜现象，那么我们应该期待正漂移率的发现。笔者这里认为，这种负漂移现象来自于脉冲星相干电子束的曲率辐射，是FRB源自身的几何特征，而非传播效应所导致（Wang et al. 2019）。计算漂移速率发现，低频波段的子脉冲漂移率远低于高频段，这与笔者所预期的结果相符。时间-频率漂移特征，是反应FRB源辐射几何特征的重要工具。
另外，本次观测发现FRB 121102的色散量DM相比之间的结果，增长了3 pc cm^-3。DM值的变化又将反应何种物理机制，也是值得讨论的话题。
总结
图5. FRB 121102400-800 MHz消色散频率-时间图中的漂移结构。（图源自Josephy et al. 2019）
FRB是一类神秘的天文现象。科学家们通过不懈的努力，首次完成了对非重复FRB的精确定位，并探测到了重复暴FRB 121102的低频对应体。让我们距离揭开FRB起源的神秘面纱，更近了一步。我国天文学者也在积极努力地对这一现象进行探索，如正在投入使用的FAST以及天籁项目。
如果有一天，我们拥有足够多的FRB样本，我们可用它来研究宇宙的物质密度，遥远星系的物质分布，限制宇宙学以及基本物理参数等。相信这一日，在我们的不懈努力下，很快就会到来了！
