中国天眼FAST重****现！为研究快速射电暴起源提供关键证据，或对物理学和天文学产生革命性影响

3 月 18 日，“中国天眼” FAST 相关论文再发 Science。审稿人表示该成果“激动人心”，并“对理解快速射电暴有着巨大帮助”。

图 | 相关论文（来源：Science）

据悉，该工作由之江实验室和国家天文台等国内外团队联合完成，他们观察并计算出快速射电暴（Fast Radio Burst，FRB）的起源证据。期间对 5 个快速射电暴加以测量，并对国际最新成果进行总结，最终获得 21 个快速射电暴样本。这些样本中的重复快速射电暴，均满足此次提出的相关理论解释。

（来源：之江实验室）

作为一种能量极强的射电波段的电磁波爆发，快速射电暴的电磁波波长由短到长分别包括：伽马射线、X 射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波等。其中，射电波段主要包含无线电波、微波，频率在 30MHz-300GHz。

作为一种全新的天体物理现象，对于快速射电暴的产生原因，此前已有多种解释，但没有一种得到普遍公认。可以说，精确测量快速射电暴偏振性质（偏振指的是横波振动矢量、偏于某些方向的现象），将极大帮助我们理解快速射电暴环境和其起源。如能弄清其产生机制，或对物理学和天文学产生革命性影响。

据悉，通过智能计算即可深度挖掘 FAST 高时频的宇宙信号采样数据，从而探测迄今为止世界最短时标的天体辐射现象，进而探索宇宙的“时间前沿”无人区，最终明确并理解 FRB 起源。

在该研究中，科学家借助 FAST 的高灵敏度优势、以及快速射电暴的丰富观测资源，为构建完整的快速射电暴起源模型奠定了重要观测基础。

相关论文题为《重复快速射电暴的偏振频率关系对其起源的揭示》（Frequency-dependent polarization of repeating fast radio bursts-implications for their origin），之江实验室智能计算平台研究中心的冯毅担任论文第一作者。

图 | 冯毅（来源：冯毅）

故事从“遥远的爆发”讲起

该研究的大背景要从 2007 年说起。当年，射电天文学家、西维吉尼亚大学物理与天文学系教授邓肯·洛里默（Duncan Lorimer）和团队首次发现快速射电暴之后。自此，该天体物理现象便成为天文学领域的研究热点。

快速射电暴，指的是发生在遥远宇宙中的无线电波大爆发，尽管持续时间仅有几毫秒，却能产生等同于太阳在一整天内释放的能量。实验观测中发现，一些快速射电暴会重复爆发。

而之江实验室团队此次利用偏振频率演化关系，研究了快速射电暴的周边环境，并首次提出能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，提供了关键性观测证据。论文指出，重复快速射电暴处于类似超新星遗迹的复杂环境中。

那么，什么是超新星遗迹？它指的是在演化临近尾声时，部分恒星所经历的一种剧烈爆炸。爆炸所发的光芒超级明亮，这到底能有多亮？据悉，期间突然发生的电磁辐射往往能照亮恒星所在的整个星系，并且有时持续数周、乃至数月才会渐渐衰减。

过程中，仅一颗超新星所释放的辐射能量，就和太阳一生所辐射能量的总和相当。通过爆炸，恒星能以高至十分之一光速的速度，把几乎所有物质向外抛散，还会把激波辐射到周围星际物质上。在激波的作用下会形成超新星遗迹，结构上呈壳状，由膨胀气体和尘埃构成。

在超新星遗迹外壳内，人们发现了另一个星云：脉冲星风云，它由中央脉冲星产生的风驱动着。作为高速转动的强磁场中子星，脉冲星风云诞生于大质量恒星寿命晚期发生超新星爆发之时，其半径仅有大约 10 千米，典型磁场约为一万亿高斯，约为地球磁场的两万亿倍。

此前，对于宇宙深处的“神秘信号”起源，学界已有诸多理论推测——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……由于这些天体活动会产生巨大能量，故均被认为是快速射电暴的可能起源。

图 | 快速射电暴起源推测（来源：国际射电暴领域知名科学家、荷兰射电天文台首席天文学家、阿姆斯特丹大学教授杰森·赫塞尔斯（Jason Hessels））

要想找到宇宙深处的快速射电暴源头并不容易，冯毅表示，基于现有的天文设备条件，银河系外的起源细节很难被直接观测到。

原因在于，大多数快速射电暴只在射电波段有信号，这意味着无法通过多波段的观测去获取额外信息。而过去的研究方法，是以“守株待兔”的方式去确认对应体，但是鉴于距离过于遥远，就算探测到爆发也很难明确快速射电暴的基础物理机制。

“中国天眼” FAST 和美国绿岸望远镜齐“上阵”

当快速射电暴信号在传播时，周边星际介质会影响到偏振这一特征，这时就能借助分析快速射电暴的偏振等特征，去对它的辐射机制做以限制，从而推测它所穿过的介质的磁感应强度、以及电子数密度等信息。

定下解决思路之后，就得落实到实验。随后，该团队利用射电望远镜“中国天眼” FAST 和美国 GBT（Green Bank Telescope，绿岸望远镜），去分析重复快速射电暴脉冲的偏振特征。

结果发现，当重复快速射电暴具备样本集中的特点时，均表现出低频线的偏振度低、高频线的偏振度高的特征。这一频率演化关系证明：样本集中的快速射电暴暴源所处环境非常复杂，兼具极强的磁场和极高的电子数密度，而这和超新星遗迹、以及脉冲星风云的环境特征恰好吻合。这意味着，超新星遗迹和脉冲星风云等环境中，极有可能存在快速射电暴。

图 | 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 越大代表快速射电暴所处的环境越复杂（来源：Science）

如上图所示，重复暴的线偏振度呈现出随频率降低而降低的趋势。对于该频率演化关系，可通过单一参数“RM 弥散（σRM）”对其进行量化描述。通过描述结果，研究人员排除了通道内混淆模型、以及基于辐射区磁层高度变化的脉冲星偏振内禀频率演化模型等其他解释。

基于此，该团队与云南大学中国西南天文研究所杨元培教授、美国普林斯顿大学天体物理科学系鲁文宾博士、美国内华达大学物理与天文学系张冰教授等人，合作构建出基于多路径散射的介质模型，借此对辐射区的空间尺度、密度涨落、磁场构型等重要物理性质做以进一步约束。

1652 个爆发和 100% 线偏振

冯毅表示，该成果的产生基于该团队对快速射电暴偏振性质的长期研究。2019 年，FAST 在 60 小时内探测到重复快速射电暴 FRB121102 的 1652 个爆发，这时该团队对其偏振做以分析。但是，非常奇怪的事情发生了，他测量的 FRB121102 的线偏振是 0，但是在更高的频段，FRB121102 的线偏振是 100%，这种程度的跃变很难用常理解释。

一般而言，天文学中物理量的变化都是连续的，很难发生这种突然的从无到有的变化。这种变化引起了该团队注意，而这也成为此次研究的开端。

由于在更早之前，冯毅等人已经完成偏振校准，因此断定上述 FRB121102 的测量结果是正确的。同时，随着观测数据和论文的增多，越来越多的快速射电暴偏振被测量出来。

2020 年，FAST 对于 FRB20180301A 的偏振测量的相关论文发表在 Nature 上，尽管没有 FRB121102 从 100 到 0 的这种跃变，但是 FRB20180301A 也呈现出高频线的偏振度高、低频线的偏振度低的特征。

于是，研究人员开始猜测，这可能是重复暴的普遍规律，并尝试用理论去解释这该现象。后来，冯毅用本次 Science 论文中提出的理论去拟合观测到的数据，发现吻合得非常好，猜想有较高可能性是正确的。

基于此，该团队预言重复暴 FRB20190303A 的 FAST 的波段应该是 100% 的线偏振。四个月后，他们利用 FAST 测量了 FRB20190303A 的偏振，发现果然是 100%。“这一结果让我们猜想的正确性大为提高。”冯毅表示。

可在两三年内揭示 FRB 起源等关键问题

据介绍，冯毅本科毕业于清华大学物理系，博士毕业于中国科学院大学。其长期从事天体物理领域的科研，主要研究方向包括：快速射电暴、引力波、脉冲星、恒星形成等。

2021 年，冯毅正式加入之江实验室，担任智能计算平台研究中心研究专家，为之江实验室科研攻关项目“天文大数据智能计算与服务平台”子课题负责人。

据悉，该项目依托国家大科学装置“中国天眼” FAST，利用 FAST 历史最强绝对灵敏度，对射电观测数据做以深度挖掘和智能挖掘，以期引领全球宇宙 “时间前沿”瞬变天体物理的研究，同时构建天文大数据服务平台，服务国内国际天文学研究。

另据悉，之江实验室正研究打造基于 FAST 的天文智能计算平台，将结合智能计算和 AI 技术，以加速天文研究。

冯毅表示，后续结合 FAST 的持续深度监测和其他先进设备，或可在两三年内揭示 FRB 起源等关键问题，比如重复暴和非重复暴是否有统一的起源。

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参考:

1、Feng, Y., Li, D., Yang, Y. P., Zhang, Y., Zhu, W., Zhang, B., ... & Zhang, L 2022，Frequency-dependent polarization of repeating fast radio bursts-implications for their origin，Science, 375 (6586), 1266. DOI: 10.1126/science.abl7759