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520这天,“中国天眼”连续4次捕捉到30亿光年外神秘信号

中国科学报

文 | 《中国科学报》记者 甘晓

在中国科学院国家天文台(以下简称国家天文台)研究员李菂研究组里,“90后”博士后牛晨辉的外号是“巨星”,当初得名仅仅是因为他在一张合照里显得格外高大魁梧。

而在寻找快速射电暴(FRB)的征途上,牛晨辉正奋力朝着名副其实的“巨星”努力。

北京时间6月9日,李菂领导的国际团队在《自然》发表文章,报道了他们在“中国天眼”FAST(500米口径球面射电望远镜)的帮助下,发现了迄今为止唯一一例持续活跃的重复快速射电暴,并将其命名为“FRB 20190520B”。后续多台国际设备天地协同观测,将它的“家乡”锁定在一个距离地球30亿光年的贫金属矮星系。牛晨辉正是该论文的第一作者。

作为世界上最大的单口径望远镜,FAST在“多科学目标同时巡天(CRAFTS)”优先重大项目支持下,开展快速射电暴搜寻,已经发现至少6例新FRB,为揭示宇宙中这一神秘现象的机制、推进天文学这一全新领域的研究作出独特的贡献。

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“中国天眼”全景(无人机照片)。新华社记者 欧东衢 摄

在中国科学院6月7日举行的新闻发布会上,回首FAST过去20多年的建设史,国家天文台FAST运行和发展中心常务副主任、总工程师姜鹏倍感欣慰。他打趣说:“当时的艰辛一度让人对未来产生迷茫。早知道FAST能有这么多收获,我们或许会更加卖力!”

再也不见的“眨眼”

快速射电暴是宇宙中最明亮的射电爆发现象,2007年才被首次发现。其可以拆分成“快速”“射电”“暴”三个部分来理解。其中,“快速”意指爆发持续时间非常短。“人一眨眼的工夫大约300毫秒,FRB持续的时间是1毫秒,比眨眼瞬间还要快许多。”牛晨辉介绍说。

而“射电”意指所在的电磁波波段;“暴”意指剧烈爆发现象,不用1毫秒就能释放太阳大约一整年辐射出的能量。

图片从色散-红移关系上清晰可见FRB 20190520B拥有最大的宿主星系电子密度。(中国科学院国家天文台供图)

那么问题来了,究竟是什么东西能在比“眨眼”还短的瞬间爆发出如此高的能量?是外星人发来的信号吗?对此,李菂的看法是,“目前科学上已知的证据并没有支持FRB起源于外星人这样的‘超自然’现象,科学家认为FRB可能起源于中子星或矮星系”。

很长时间以来,同一个FRB往往只能被探测到一次,好比宇宙深处每一次的“暗送秋波”转瞬即逝,再也不出现,自然也看不清、找不到那个“眨眼睛的人”——“再见,再也不见”。

直到2016年,一次重复的“眨眼”才被美国阿雷西博望远镜探测到,它被命名为FRB 20121102A。随着观测设备不断升级,全球公布了近500例FRB,只有不到10例有活跃爆发。但即使是重复爆发的FRB也有其窗口期,一旦窗口期过去,它又躲进茫茫黑暗中。科学家所期待的那些一直“眨眼”的持续活跃的重复快速射电暴,久久没有出现。

20秒4次 “一眼”万年

转机发生在2019年5月20日的夜里,矗立在贵州平塘一隅的FAST一如既往仰望苍穹。500米的大口径让它具有探测电磁波的高灵敏度,尽力倾听宇宙的声音。“嘀,嘀,嘀……”一个波束扫过的10秒内,FAST看到了3次“眨眼”。20秒后,另外一个波束扫到相邻位置时又探测到1次“眨眼”。

牛晨辉在庞杂的数据中发现了20秒内的4次脉冲信号,他感到又惊又喜:又一个重复的FRB?!随即,科研工作者的理智让他冷静下来,在排除脉冲星和射电干扰后,他才确定该脉冲的确来自于一个新的FRB,并按照用探测日期命名的惯例,将其命名为FRB 20190520B。

在后续观测中,他和同事们又发现新的惊喜,FRB 20190520B不仅是重复的,还是没有爆发窗口的持续活跃的快速射电暴。最新发表的这篇论文中,他们确认,这是世界首例持续活跃的重复快速射电暴。

“20190520,依旧520。”平时科研中相当严谨的牛晨辉感到一种无法用语言表达的奇妙缘分。“它的持续活跃,似乎是在那次‘一眼万年’的邂逅之后,和FAST演绎着一场永久的爱情。”

30亿光年外“寻家”

科研工作没有止步于浪漫的想象中。科研人员迅速开展了对这一特别FRB的全方位探索。

为了精确定位它的“家乡”,李菂研究团队发起了国际合作。团队通过与美国甚大阵列望远镜、美国帕洛玛200英寸望远镜和凯克望远镜、加拿大—法国—夏威夷望远镜和日本斯巴鲁近红外光学望远镜等合作,确定了其“宿主星系”是距离地球30亿光年的贫金属的矮星系。

李菂强调,“虽然全球各地的望远镜由不同国家投资建设,但我们面对的是同一片天空,天文学是全人类的共同追求。”

同时,“色散值”这一特征数据表明,FRB 20190520B的近源电子密度远高于其他FRB,表明在其宿主星系传播路径中经过了复杂的电子密度分布。简单地说,其宿主星系的环境十分复杂,以至于剧烈的射电暴在离开“老家”时历尽艰辛,此后抵达地球的旅程反而相对顺利。

FRB领域创始人邓肯·洛里默对此评价说:“基于上述认识,我认为快速射电暴可能有不同的分类。随着快速射电暴样本的持续增长,预计未来几年内,我们能够揭开快速射电暴神秘的面纱。”

此外,研究人员还发现,FRB 20190520B与FRB 20121102A有着“孪生兄弟”般的相似度,包括附近都伴随有持续射电源对应体、都极为活跃并拥有复杂的电磁环境等。“它们有可能代表了快速射电暴演化的早期阶段。”牛晨辉告诉《中国科学报》。

如今,发现FRB 20121102A的阿雷西博望远镜已经因为年久失修而坍塌,接力棒则交到了FAST手上。李菂期待,在“快速射电暴巡天”优先重大项目支持下,FAST的持续观测有望建立全新的FRB演化图景。

当然,接过“接力棒”的还有牛晨辉。他永远铭记已经故去的亲手建造FAST的南仁东先生的一句话:“最好的天文设备实际上是修给下一代的天文学家,修给现在在读和将要入学的年轻人。”

“我就是当年先生口中的‘年轻人’,能够站在巨人的肩膀上,我深感幸运。”牛晨辉表示。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04755-5

《中国科学报》 (2022-06-10 第1版 要闻 原标题为《FAST与“520”一眼万年的邂逅》)

编辑 | 赵路

排版 | 志海

评论
无限探索者
少傅级
也许未来有一天,在中国天眼的帮助下,困扰天文学家十余年的快速射电暴之谜将被解开。
06.10
马滔1
秀才级
前赴后继,致敬天文人👍
06.10
追梦人C·hui
少傅级
“中国天眼”,彰显中国智慧!走向深空,探索太空,放眼世界!
06.10