科学研究

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发布日期:2022-03-18
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为快速射电暴起源研究提供关键观测证据 之江实验室计算天文团队论文登上《科学》 ​

 3月18日,《科学》杂志发表题为“Frequency Dependent Polarization of Repeating Fast Radio Bursts - Implications for Their Origin”的研究论文,指出重复快速射电暴处在类似超新星遗迹的复杂环境中。



该论文创新性地利用偏振频率演化关系研究快速射电暴周边环境,首次提出了能够解释重复快速射电暴偏振频率演化的统一机制,为区分重复快速射电暴起源的众多理论模型提供了关键观测证据。之江实验室智能计算平台研究中心研究专家冯毅为该论文的唯一第一作者。之江实验室计算天文首席科学家李菂研究员为该论文的唯一通讯作者。


快速射电暴,一种遥远宇宙中的无线电波大爆发,持续时间只有几毫秒,却能够释放出相当于太阳在一整天内释放的能量。自2007年射电天文学家Duncan Lorimer教授和他的团队首次发现快速射电暴之后,这种新的天体物理现象成为天文学领域的研究热点。观测上发现,一些快速射电暴会重复爆发。

对于这个宇宙深处“神秘信号”的起源,科学家们有很多理论推测——磁星巨耀发、脉冲星的巨脉冲、中子星穿越小行星带、双黑洞并合……这些会产生巨大能量的天体活动都被认为是快速射电暴的可能起源。

△快速射电暴起源推测 来源:Jason Hessels


寻找来自宇宙深处的快速射电暴源头非常困难。“基于现有的天文设备条件,很难直接观测到银河系之外的起源细节。”冯毅说道。

“绝大多数快速射电暴只在射电波段有信号,缺乏多波段的观测提供额外信息。过去是守株待兔地努力确认对应体,然而由于距离太过遥远,即使探测到爆发,也难以确定快速射电暴的基础物理机制。”冯毅进一步解释道。

“快速射电暴信号在传播过程中,偏振特征会受到周边星际介质的影响,我们能够通过分析快速射电暴的偏振等特征限制它的辐射机制,也能够推测它所穿过的介质的磁感应强度和电子数密度等信息。”李菂指出。

利用射电望远镜“中国天眼”FAST和美国GBT对一组重复快速射电暴脉冲的偏振特征进行系统分析后,冯毅等研究人员发现,样本集中的重复快速射电暴都呈现出低频线偏振度低,高频线偏振度高的特征。这种特殊的频率演化关系说明,样本集中的快速射电暴暴源所处的环境都很复杂,具有很强的磁场和很高的电子数密度,和超新星遗迹、脉冲星风云的环境特征相吻合。也就是说,这些快速射电暴极有可能处在超新星遗迹、脉冲星风云等环境中。


 

△重复快速射电暴偏振频率演化关系。不同颜色的线代表不同的快速射电暴的偏振随频率演化关系曲线,每条线仅用一个参数σRM拟合。σRM大代表快速射电暴所处的环境越复杂。


如图所示,重复暴的线偏振度存在随频率降低而降低的统一趋势,并且这种频率演化关系可以通过单一参数“RM弥散(σRM”量化描述,这排除了通道内混淆(intra-channel depolarization)、基于辐射区磁层高度变化的脉冲星偏振内禀频率演化(intrinsic frequency evolution)模型等其他解释。基于此,李菂团队与云南大学杨元培教授、普林斯顿鲁文宾博士、内华达大学张冰教授等人合作构建了基于多路径散射的介质模型,可以进一步约束辐射区的空间尺度、密度涨落、磁场构型等重要物理性质。

李菂表示,这项工作充分结合了FAST的灵敏度高优势和快速射电暴这一国际热点前沿的丰富观测资源,为构建完整的快速射电暴起源模型提供了重要的观测基础。FAST的持续深度监测结合其他先进设备,有望在未来2-3年回答关于快速射电暴起源的一系列关键问题,例如重复暴与非重复暴是否有统一的起源?

目前,之江实验室正在研究打造基于FAST的天文智能计算平台,将借力智能计算与人工智能技术,加速天文领域的科学研究。

“利用智能计算,可以深度挖掘FAST高时频宇宙信号采样数据,探测迄今世界最短时标的天体辐射现象,探索宇宙的‘时间前沿’无人区,力争理解快速射电暴起源。”李菂说道。

这一研究成果已发表在《科学》。

文章链接:

www.science.org/doi/10.1126/science.abl7759

 

新闻背景:

超新星是某些恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸。这种爆炸极其明亮,过程中所突发的电磁辐射经常能够照亮其所在的整个星系,并可能持续几周至几个月才会逐渐衰减。而在此期间,一颗超新星所释放的辐射能量可以与太阳在其一生中辐射能量的总和相当。恒星通过爆炸可以将其大部分甚至几乎所有物质以高至十分之一光速的速度向外抛散,并向周围的星际物质辐射激波。这种激波会导致一个由膨胀的气体和尘埃构成的壳状结构形成,这被称作超新星遗迹。

脉冲星风云是一种在超新星遗迹外壳内发现的星云,由中央脉冲星产生的风驱动。脉冲星是高速转动的强磁场中子星,是大质量恒星寿命晚期发生超新星爆发的过程中形成的,其半径只有10千米左右,而典型磁场约为一万亿高斯,相当于地球磁场的两万亿倍。

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