“天眼”立功：中国天文学家观测到首例持续活跃快速射电暴

快速射电暴（Fast Radio Burst, FRB），是发生在宇宙中颇为神秘的射电爆发活动，其物理起源至今未知。自2007年科学家首次发现快速射电暴之后，这种天体物理现象成为近年来天文学领域的研究热点。天文学家们试图从这些来自宇宙深处的噼啪作响中，得到关于宇宙星系际介质的重要启发。

图一:FAST望远镜与VLA望远镜合成图,上图为VLA阵列,下图为FAST望远镜

北京时间6月8日23时，国际权威学术期刊《自然》(www.nature.com)刊发了中国国家天文台李菂研究员团队关于快速射电暴的又一重要观测研究成果。团队报告了一个新探测到的活跃快速射电暴FRB 20190520B，并发现其与一个致密的射电持续源相关，最终将其定位到了一个距离我们30亿光年的矮星系。

6月8日，论文的第一撰稿人、国家天文台博士后牛晨辉在接受澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者采访时表示, FRB 20190520B与人类首个发现的重复快速射电暴FRB 20121102A有着一些相似特征，但其宿主星系环境显示更为复杂。而且不同于其他快速射电暴只在窗口期内暴发，FRB 20190520B持续活跃。这一发现或对理解快速射电暴起源和分类带来重要启示。

2007年，美国天文学家邓肯·洛里默（Lorimer）在分析澳大利亚帕克斯（Parkes）望远镜2001年的观测数据时，首次发现了快速射电暴这一神秘的天文现象。快速射电暴电磁辐射脉冲的持续时间只有几毫秒，却能够释放出相当于太阳在一整年内释放的能量。近年来，快速射电暴被天文学家用来研究星系际介质（星系与星系之间）中的物质, 例如重子的含量等。

“这次发现的首大亮点，是重复快速射电暴FRB 20190520B有着持续的活跃度。”牛晨辉向澎湃新闻介绍说。

2019年5月20日，李菂团队利用位于中国贵州省境内的500米口径球面射电望远镜(FAST)——“中国天眼”,首次探测到了重复快速射电暴FRB20190520B，频率为1.05-1.45 GHz。研究者在最初的观测中发现了4次爆发，在2020年4月至2020年9月之间的每月跟踪观测中，累计18.5小时内观测到75次爆发，这表明该射电暴持续保持着较高的活跃度。

牛晨辉称，目前全球观测到的快速射电暴有500余例，其中重复快速射电暴只有24例，但其中活跃的重复暴不到10例。“即便是能够重复观测到的快速射电暴，大部分都有一个活跃的窗口期。例如此前首例发现的重复快速射电暴FRB 20121102A，我们可以在1小时内观测到100多次爆发，但随后就会衰减甚至观察不到，而在对FRB 20190520B的观测中，我们尝试了不同的时间窗口，而每次都能观测到其爆发。”

图二:该图描述了FRB 20190520B的爆发在动态谱中的情况,每幅图来自于不同时期的观测

“这样持续活跃的重复快速射电暴目前只有这一个。”牛晨辉说。

此次观测研究的另一重要发现，是新观测到的重复快速射电暴FRB 20190520B与一个致密的射电持续源相关联，这是第二个被发现伴随着致密射电持续源的快速射电暴。

作为CRAFTS项目的一部分，李菂团队与卡尔G.扬斯基甚大阵列(VLA)合作, 通过使用“realfast”快速瞬态探测系统对重复快速射电暴FRB 20190520B定位, 并确定了其宿主星星系（J160204.31−111718.5）, 这是一个红移为z = 0.241±0.001的矮星系，相当于光度距离为1218 Mpc，消光修正后的Hα亮度LHα = 7.4±0.2 × 1040 erg s−1，星系的成星速率约为0.41 M⊙yr−1。

图二:FRB 20190520的基本参数

据介绍，在FRB 20190520B之前，已有超过12个快速射电暴被定位，包括5个重复快速射电暴，但只有首个被发现的重复快速射电暴FRB 20121102A与致密的射电持续源相关联，FRB 20121102A同样存在于一个类似的矮星系中。

牛晨辉告诉澎湃新闻，“FRB 20121102A是已知的第一个伴随着致密的射电持续源(PRS)的重复快速射电暴。另一个重复快速射电暴FRB 20201124A也与射电持续源相关。然而，分辨率更高的观测表明，其射电持续源的亮度与宿主星系中恒星形成区相一致，也即是说这个射电持续源是由恒星形成区产生。”相比之下, 与FRB 20190520B对应的射电持续源不是来自恒星形成区，因为它的光度意味着恒星形成速率约为10 M⊙yr-1，这相当于宿主星系实际测量到的恒星形成速率的25倍，也是同质量星系最高观测到的恒星形成速率的5倍。因此，研究者认为其更有可能与一个致密的持续射电源相关联。

而此次观测研究最特别之处，是此前的研究认为，宿主星系对快速射电暴色散量(Dispersion Measurement, DM)的影响程度通常很小，但李菂研究员团队经过计算发现，FRB20190520B宿主星系的色散量约为903 pc cm-3 ，这比此前已知的FRB宿主星系的色散量平均值高出近一个数量级。

色散量是天体物理学中一个重要的测量值。据了解，随着电磁辐射在充满星际介质和星系际介质的空间里传播，色散现象会使得射电辐射的不同频率成分到达地球的时间不一样。而测量到达时间随频率变化，就可以得到“色散量”。该测量量可以看成是从快速射电暴发出到地球一路上介质中电子密度对径向距离的积分，包含了这个方向上很大一段宇宙尺度内的等离子体分布信息。

如果能得到一个快速射电暴的总DM值，则可以将该DM值分解成几个部分：银河系星际介质的DM，FRB宿主星系中的DM，以及星系之间中的DM。DM(宿主星系) = DM(快速射电暴)− DM(银河系) —DM (星系间介质)。

图四:从色散—红移关系上清晰可见FRB 20190520B远远偏离了其它快速射电暴,挑战了经典的色散分析方法.

牛晨辉对澎湃新闻说,“简而言之，宿主星系的色散量，可以对应宿主星系环境中等离子体的浓度，从而反映该环境的性质和特征。”

研究者们通过计算得知，FRB 20190520B宿主星系的DM 约为 903 pc cm-3，而已知的首个重复快速射电暴FRB 20121102A的DM(宿主星系)的大小约为300 pc cm-3 ，FRB 20190520B显示的DM(宿主星系)几乎是FRB 20121102A的3倍。对此，研究者们猜测，如果DM(宿主星系)相当大的一部分是来自于射电暴周围介质，那么射电暴的形成可能与致密的射电持续源和变化的磁场有关，而FRB 20121102A和FRB 20190520B这类重复快速射电暴更像是处于演化早期的射电暴。

研究者总结到，“无论是重复的，还是非重复快速射电暴，都可能包含着不同的子类，这些子类要么处于不同的演化阶段，要么产生于不同的物理机制。”

中国天文学家们对于快速射电暴的探索和研究还在继续。牛晨辉对澎湃新闻表示，CRAFTS项目是李菂研究员负责的FAST优先重大项目,快速射电暴的搜寻工作是该项目的一个重要方向。国家天文台朱炜玮研究员负责的FAST另一优先重大项目“快速射电暴”项目为FRB 20190520B的后随观测提供了重要支撑。

“我们对FRB 20190520B开展了每周的常规监测,截至目前已经获取了数百次爆发样本,结合这些样本我们将对其色散演化、能量分布、快速射电暴脉冲特征开展后续研究。”牛晨辉说。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-022-04755-5