中国“天眼”是如何捕捉到快速射电暴的？

引言:

快速射电暴是近年来最热门的射电天文学的话题之一，它们神出鬼没，难以预测踪迹。中国“天眼”（FAST射电望远镜）则是捕捉快速射电暴的绝佳利器，自正式运行以来，FAST凭借着其极高的灵敏度，迅速加入到快速射电暴研究的前沿阵地。此次“狩猎”活动，我们提前预测了“猎物”可能出现的位置，然后采用“守株待兔”的策略，不仅认证了一颗新的重复射电暴源，更重要的是，还发现了其全新的辐射特征。这对揭示快速射电暴的起源和辐射机制有着重要意义。相关论文已于近期发表在了《自然》杂志上，详见文末论文链接。

今天，我们详细介绍一下FAST的“猎暴”计划是如何进行的。

FAST望远镜探测到快速射电暴的艺术想象图（摄影：黄琳、杨清亮、王铂钧、张春风、姜金辰，后期：崔起生）

撰文 | 罗睿（澳大利亚国立射电天文台）、王维扬（国家天文台）、姜金辰（北京大学天文系）

责编 | 韩越扬 吕浩然

快速射电暴

快速射电暴（Fast Radio Burst，FRB），顾名思义就是短时间内的射电流量暴增。一般而言，这种爆发持续的时间只有几毫秒，比一眨眼的功夫还要快。但令人诧异的是，这种来自遥远宇宙的爆发事件，产生的射电信号非常显著，以至于近些年不断有学者尝试用各种理论模型去解释其产生的机制。

除了定义中比较显而易见的特点，FRB在观测上还具有高度色散的直观特征。也就是同一信号，不同频率的射电波到达我们望远镜的时间具有延迟，高频的信号早到达，低频的晚到达（图1）。

图1：一个典型的快速射电暴（FRB 110220）的动态频谱特征，横坐标是到达时间，纵坐标是观测频率，图片来源: Thornton et al. 2013, Science

第一个FRB是2007年Lorimer等人在处理澳大利亚帕克斯（Parkes）望远镜的历史数据后发现的，当时还没有太多人相信这是一个真实存在的天文学现象。然而等2013年《科学》杂志发表了4个快速射电暴之后，人们意识到这一现象绝非偶然，宇宙中极有可能存在大量的FRB等待我们去发掘，这个领域开始急剧升温。澳大利亚的“平方公里阵探路者（ASKAP）”望远镜和加拿大的“氢强度测绘实验（CHIME）”望远镜分别于2017年和2018年开展FRB巡天，标志着FRB领域已经进入高速发展的时代。不过，虽然天文学家开展FRB的研究至今已有十余年，但这个领域仍充满了未知，物理起源依然不清楚。

FRB极其“狡猾”，神出鬼没，你无法预测它们下一刻会出现在哪。好消息是，有一类FRB能在同一个位置以同样的色散量反复出现（图2上），我们把这一类FRB称为重复暴。显然，捕捉重复暴，守株待兔方为上策。

另一类FRB自然就被称为“视”非重复暴。为什么叫做“视”非重复呢？这是由于大部分源被观测到的第一次事件均来自于盲搜的巡天（图2下），只有进行“守株待兔”式的后续监测才能帮助我们断定这些源是否具有重复性。目前发现的130多个源当中，有20个左右已被观测认证是重复暴。到底是不是所有FRB都会重复呢，这是当前整个领域最亟待解决的问题之一。

图2：快速射电暴的划分为重复暴与“视”非重复暴。上图：重复暴，图片来源：Berkeley SETI Research Center)；下图：“视”非重复暴，图片来源：T.Jarrett, IPAC/Caltech; B.Saxton, NRAO/AUI/NSF

“留给我们的时间并不多”

目前所观测到的重复暴大多数流量都比较低，为了解答是否所有快速射电暴都会重复的问题，我们需要一个非常灵敏的“狩猎工具”去对已知的爆发源进行监测。毫无疑问，最适合做这件事的望远镜就是我国的FAST望远镜。其超高的灵敏度，为探测非常暗弱的FRB提供了可能。

从已知的样本来看，重复暴在流量普遍比较低的同时，色散量也不是特别高，可能离我们并不是很遥远。相比而言，非重复暴看起来更加明亮，色散量范围更广，可能来自更远的距离。这两类FRB在光度[1]区间似乎有一个分界：低光度的暴大多数是重复暴，高光度的目前来看更像是一次性爆发。于是，我们对已知的FRB进行光度估算，选出几颗低光度的源作为重复暴的候选样本。

由于申请到的观测时间非常有限，我们团队必须对整个观测计划集中优化，选择最有可能成功的观测目标。首先，要计算信号源经过FAST天区的可观测的时间有多少；其次，需要考虑源最初被探测时位置的不确定度，FAST同时探测区域的大小。最终，我们选择FRB 180301作为优先观测的目标。FRB 180301最初是由Parkes望远镜在2018年3月1日的观测数据中探测到的，他们团队的后续观测并没有发现任何重复暴。这颗源除了光度比较低，还有一个比较类似重复暴的特征：较窄的辐射带宽。我们的首要目标就是发现并证明这一个信号源是重复暴。

认证新的重复源

我们团队的首次观测于北京2019年7月16日上午10点正式开始，采用FAST的19波束接收机对FRB 180301的位置进行跟踪，持续2小时。尽管这颗源从我们的理论预言上看很可能是重复暴，但我们并不能保证采用跟踪模式就一定能探测到事件。

目前已有的观测经验告诉我们，重复源可能存在着活跃期与宁静期（如FRB 121102），若观测时间刚好处于重复源的宁静期，就很难有收获。而且，我们的19波束只能覆盖Parkes望远镜最初探测到这个源时的波束大小的28%的区域，只要重复暴真实的位置落在波束无法覆盖的空隙区域（72%的几率），我们就很难探测到爆发事件。

在数据传输完毕后，我们用自己的搜寻软件进行处理，令人惊讶的结果出现了：在信号的候选体中发现了4例重复事件（图3），全部出现在19波束接收机的第7号波束！其他波束在同时刻没有任何事件，基本排除是射电干扰的可能性，说明这是一个典型的FRB重复源。

非常幸运！我们成功捕捉到了FRB 180301的几个重复暴！狡猾的狐狸终究没能斗过好猎手。这是中国天眼首次从已知的FRB源中认证重复暴！一切是那么的出乎预料，却又在情理之中。

图3：FAST第一次观测FRB 180301所发现的4次重复事件，图片来源：Luo et al. 2020, Nature

偏振观测的新发现

如果第一次观测的目标在于确定重复性，探测到流量和谱分布，那么后续观测就是为了研究更详细的辐射特性，例如：偏振光的性质。在确定重复暴的爆发率和位置后，我们在2019年9月和10月一共申请了3次后续观测，旨在对其进行详细的偏振测量和其他相关研究。守株待兔，我们如愿在后来的10小时观测中再探测到11个重复暴，其中7个比较亮的爆发有比较置信的偏振测量结果。喜出望外的是，我们的结果有两个意想不到的新发现：

首先，我们发现，FRB 180301的若干个重复暴的偏振位置角（Position Angle）曲线呈现各不相同的特征。以其中一个爆发为例（图4上），我们看到偏振位置角从脉冲轮廓的起始到末尾都呈现一个上升的趋势。相比之下，第一颗重复源FRB 121102的偏振位置角的分布却非常平坦（图4下）。偏振位置角的变化在很多脉冲星与磁星当中普遍存在，我们常称之为位置角的“摇摆”（PA swing）。FRB 180301非常有可能产生于一颗类似脉冲星或者磁星的致密天体，只不过它一次爆发释放的能量要比普通脉冲星的高百万倍以上。

图4：重复暴FRB 180301与FRB 121102的偏振特性对比。上图：FRB 180301，图片来源：Luo et al. 2020, Nature；右图：FRB 121102，图片来源：Michilli et al. 2018, Nature

其次，我们可以对这些事件的法拉第旋转进行准确的测量（图5）。通过处理10月7号与8号观测的数据，我们发现，在短短一天时间内，这个重复暴的法拉第旋转量（RM）就有接近10%的幅度变化。这是在目前的FRB研究中，第一次在那么短时间内测量到的法拉第旋转的变化，说明产生FRB的致密天体所处的磁场环境变化很快，不排除来自电离环境中湍流的影响。

图5：电磁波经过具有磁场的环境时，电矢量方向产生的法拉第旋转，图片来源：Wikipedia

图6：FRB 180301在一天时间内的法拉第旋转量（RM）的变化，图片来源：Luo et al. 2020, Nature

对起源的揭示

前沿领域不断更新的观测进展，驱使着理论学家们去思考FRB到底是怎么来的。现在已发表的理论模型有一百多个，和已发现的FRB数目差不多。总的来说，有两类辐射模型能解释FRB射电辐射中极高的亮温度[2]：一类是中子星磁层结构里的相干辐射过程，另一类是中子星产生的相对论激波里的同步脉泽辐射。

我们所观测到FRB 180301的偏振特性给其中一类模型带来了强力挑战，即同步脉泽模型。该模型认为FRB的辐射来自致密天体的喷射物产生的相对论激波，激波与星际介质相互作用发生同步辐射，称之为同步脉泽。脉泽具有很高的亮温度，以短时标的射电辐射形式传播出去被我们探测到。脉泽也是在相干过程中产生的，具有很高的亮温度。若其以短时标的射电波传播出去，就可以解释我们所看到的FRB辐射了。脉泽很难解释偏振位置角变化的多样性。理论上，从激波的任意位置产生的线偏振辐射，其偏振位置角应该是相同的。因此，这类模型预言的位置角的变化会非常平坦，似乎与FRB 121102目前的观测符合得更好。以至于FRB理论领域在一段时间内，关于两类辐射模型的争论进入白热化。

但真实的情况远比我们想象的要复杂，FRB 180301所观测到的多个爆发的偏振位置角的呈现“摇摆”趋势。在脉冲星或者磁星的射电观测中，偏振位置角的“摇摆”很常见，理论上认为这种高速旋转的中子星的磁层动力学给偏振位置角的变化提供了条件。当中子星的辐射束扫过我们视线方向时，轮廓上每个时间点的偏振辐射来自于磁层的不同位置，这样偏振位置角就产生了差异。磁层起源模型既可以解释偏振位置角的“摇摆”，还可以解释其平坦的特征。这样，偏振位置角会呈现多样性分布。我们此次工作的的观测证据表明，FRB的辐射更有可能产生于一个类似脉冲星或者磁星的致密天体的磁层（图7）。

图7：拥有超强磁场的脉冲星或磁星，图片来源：Casey Reed, Penn State University

总结与展望

综上所述，我们用FAST对已知的快速射电暴进行针对性的监测，从中发现了一颗新的重复源，并在后续观测中探测到类似于脉冲星和磁星的偏振特征，暗示FRB很可能起源于具有极强磁场的年轻致密星的磁层结构当中。本次研究的主要成果整理并发表在《自然》杂志2020年10月28日的期刊上（Luo et al. 2020,Nature）。

快速射电暴虽然是一个非常新的领域，但近几年发展得非常迅速，几乎每半年，甚至每个季度都有新的重要发现。我们国家的FAST望远镜虽然才正式运行不久，但其得天独厚的灵敏度优势已经展现出来。毫无疑问，FAST是寻找重复暴的绝佳设备。目前，FAST已启动“快速射电暴的搜寻和多波段观测”的优先、重大项目。我们相信，隐藏在快速射电暴背后的那些谜团终将在不久的未来被彻底揭开。

作者简介

· 罗睿：天体物理学博士，毕业于北京大学天文学系。目前在澳大利亚国家射电天文台（ATNF）做博士后研究，研究的领域为时域射电天文学，包括快速射电暴、脉冲星、射电干扰等。

· 王维扬：中国科学院国家天文台博士研究生，研究的方向包括快速射电暴、脉冲星等。

· 姜金辰：北京大学天文学系博士研究生，研究的方向主要是脉冲星和快速射电暴的偏振辐射。

注释：

[1] 天体在单位时间内辐射的能量，等同于辐射功率。

[2] 亮温度是天体的辐射谱用黑体辐射去等效时，对应的热平衡温度。亮温度越高，辐射的功率就越大。