有時(shí)候，成為一名天體物理學(xué)家就像是在做偵探工作，要把證據(jù)拼湊在一起是很復(fù)雜的。因?yàn)橛^測(cè)往往是在一個(gè)現(xiàn)象發(fā)生后才開始進(jìn)行的，它們不可預(yù)期并且很難被探測(cè)到。
快速射電暴(FRBs)
2007年，科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)一種來自外太空、持續(xù)時(shí)間只有幾毫秒的無線電波閃光，稱之為快速射電暴(FRBs)。經(jīng)過十幾年的研究，仍然不知道它們的確切成因，只知道一定是某種非常強(qiáng)大的東西。由于它們的壽命很短，因此探測(cè)它們并確定它們的確切來源位置特別具有挑戰(zhàn)性。
作為天文界的研究熱點(diǎn)，天體物理學(xué)家們已經(jīng)提出一系列關(guān)于解釋FRB來源的理論。這些理論中的大多數(shù)都把某些類型的恒星殘骸作為FRB的來源。特別是，被稱為磁星的中子星已經(jīng)成為主要候選恒星，因?yàn)樗鼈儚?qiáng)大的磁場(chǎng)可以作為驅(qū)動(dòng)FRB的“發(fā)動(dòng)機(jī)”。
檢驗(yàn)這些理論的一個(gè)關(guān)鍵方法是將FRBs與其他一些天文現(xiàn)象聯(lián)系起來。因此，將FRB的來源維度縮小至關(guān)重要，這樣FRBs與磁星之間的聯(lián)系就會(huì)很明確。然而，到目前為止，還沒有觀測(cè)證據(jù)將FRB與磁星直接聯(lián)系起來。
首次在銀河系內(nèi)觀測(cè)到FRB
2020年11月5日，中外多個(gè)國(guó)家的科學(xué)家同時(shí)在Nature發(fā)表3篇研究論文，他們通過多個(gè)衛(wèi)星及地面望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)，探測(cè)報(bào)告首次確定了FRB的起源。同期，南非開普頓大學(xué)Amanda Weltman等人在Nature發(fā)表論文，對(duì)此進(jìn)行述評(píng)。
這是科學(xué)家首次在銀河系內(nèi)觀測(cè)到FRB，他們認(rèn)為銀河系內(nèi)的一顆磁星是今年觀測(cè)到的FRB的來源，這將幫助我們了解FRB的起源。
2020年4月27日，兩個(gè)太空天文臺(tái)——繞行地球的尼爾·格雷爾斯雨燕天文臺(tái)和費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到來自銀河系的磁星SGR 1935+2154的多次x射線輻射爆發(fā)。而次日4月28日，位于加拿大的氫強(qiáng)度測(cè)繪實(shí)驗(yàn)（CHIME）射電望遠(yuǎn)鏡接收到了一個(gè)毫秒級(jí)的快速射電暴，按照快速射電暴的命名規(guī)則，科學(xué)家們將它稱作FRB 200428。
科學(xué)家們將這次FRB現(xiàn)象與磁星X射線爆發(fā)聯(lián)系起來，第一次定位了FRB現(xiàn)象的來源——磁星SGR 1935+2154。這些發(fā)現(xiàn)由CHIME/FRB團(tuán)隊(duì)（The CHIME/FRB Collaboration）首次宣布，并以“A bright millisecond-duration radio burst from a Galactic magnetar”為題發(fā)表在Nature雜志上。
同一天（4月28日）的FRB現(xiàn)象同樣被美國(guó)瞬態(tài)天文射電發(fā)射測(cè)量2號(hào)（STARE2）望遠(yuǎn)鏡所觀測(cè)到，來自加州理工學(xué)院Bochenek（STARE2團(tuán)隊(duì)）等人同期在Nature雜志上發(fā)表了題為“A fast radio burst associated with a Galactic magnetar”的論文。Bochenek等發(fā)現(xiàn)的FRB現(xiàn)象要比CHIME/FRB團(tuán)隊(duì)宣布的要明亮1000倍。這個(gè)差異在CHIME/FRB團(tuán)隊(duì)重新校準(zhǔn)數(shù)據(jù)后得到了確認(rèn)，得到的結(jié)果亮度與Bochenek及其同事確定的相同。
與國(guó)外科學(xué)家同步，國(guó)內(nèi)科學(xué)家也一直在用中國(guó)“天眼”——500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）密切監(jiān)視著磁星SGR 1935+2154的動(dòng)態(tài)。然而遺憾的是，F(xiàn)AST的觀測(cè)窗口錯(cuò)過了FRB 200428。但它記錄了在磁星高能爆發(fā)時(shí)段，特別是29個(gè)軟γ射線爆發(fā)（soft-γ-ray repeater，SGR)時(shí)的靈敏監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，有助于了解產(chǎn)生FRB的背景。
來自北京師范大學(xué)、北京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)等十幾家國(guó)內(nèi)外單位合作（以下稱FAST團(tuán)隊(duì)），在同期Nature上以“No pulsed radio emission during a bursting phase of a Galactic magnetar”為題發(fā)表了論文。他們的研究表明，大部分磁星會(huì)產(chǎn)生高能爆發(fā)，如SGR爆發(fā)，但SGR爆發(fā)與FRB的關(guān)聯(lián)性很弱。
“磁星的高能爆發(fā)有很多，是不是所有的高能爆發(fā)都會(huì)產(chǎn)生快速射電暴？什么樣的物理機(jī)制下才會(huì)產(chǎn)生？我們的觀測(cè)正好給出了它產(chǎn)生的背景。” 該研究共同通訊作者、北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所副教授李柯伽說。除此之外，這項(xiàng)研究也將本次FRB的來源定位在磁星SGR 1935+2154附近的一小片區(qū)域內(nèi)。
全球合作
這一次FRB來源的“盛宴”，是一次多國(guó)家多團(tuán)隊(duì)的共同成果，除了CHIME、STARE2、 FAST之外，中國(guó)的“慧眼”X射線衛(wèi)星，位于中國(guó)、西班牙、新西蘭的BOOTES望遠(yuǎn)鏡陣列，以及美國(guó)的LCOGT 望遠(yuǎn)鏡等在這一發(fā)現(xiàn)中也發(fā)揮了重要作用。
FRB 200428是第一個(gè)被探測(cè)到的非無線電波發(fā)射的FRB，第一個(gè)在銀河系被發(fā)現(xiàn)的FRB，也是第一個(gè)與磁星有關(guān)的FRB。這也是迄今為止測(cè)量到的最亮的銀河系磁星射電暴，這可能解決了這個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵難題。
FRB 200428的發(fā)現(xiàn)證明磁星確實(shí)可以引發(fā)FRB。此外，F(xiàn)RB 200428是亮度可以媲美來自其他星系的FRB的銀河系射電暴，這也提供了關(guān)鍵的證據(jù)，證明銀河系外的FRB的來源可能是磁星。
未來可期
有趣的是，磁星產(chǎn)生FRB的機(jī)制有好幾種，每一種都有不同的觀測(cè)特征。因此，這項(xiàng)新的結(jié)果開啟了一系列令人興奮的有待探索的問題。例如，什么樣的理論機(jī)制能產(chǎn)生如此明亮但罕見的與x射線對(duì)應(yīng)的FRB？有一種可能性是，來自磁星的耀斑與周圍介質(zhì)碰撞，從而產(chǎn)生沖擊波。
有一點(diǎn)是肯定的，對(duì)附近星系快速形成的恒星的觀測(cè)，對(duì)于發(fā)現(xiàn)類似FRB 200428的事件將是至關(guān)重要的，這將幫助確定FRB實(shí)際形成機(jī)制。
其他磁星產(chǎn)生FRB的機(jī)制也會(huì)產(chǎn)生伴隨的中微子爆炸。因此，真正意義上的多信道天文學(xué)（Multi messenger astronomy）還有發(fā)展的空間，即協(xié)調(diào)使用完全不同的信號(hào)類型，如電磁輻射和中微子，為解開這個(gè)宇宙之謎提供另一個(gè)關(guān)鍵線索。此外，這一發(fā)現(xiàn)突出了在天文學(xué)方面進(jìn)行國(guó)際科學(xué)合作以及在多個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行天空覆蓋式觀測(cè)的必要性。
參考文獻(xiàn)：
1. The CHIME/FRB Collaboration. A bright millisecond-duration radio burst from a Galactic magnetar. Nature 2020, 587,54–58.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2863-y
2. L. Lin et al. No pulsed radio emission during a bursting phase of a Galactic magnetar. Nature 2020, 587,63-65.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2839-y
3. C. D. Bochenek et al. A fast radio burst associated with a Galactic magnetar. Nature 2020, 587, 59-62.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2872-x
4. Amanda Weltman et al. A fast radio burst in our own Galaxy. Nature 2020, 587, 43-44.
https://www.nature.com/articles/d41586-020-03018-5
