多个国际首次！中国天眼取得新发现
2022/9/30 7:00:00 科学大院
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1毫秒有多短？大概是人类眨眼时长的百分之一。
能够在几毫秒的时间内，释放出相当于世界几百亿年总发电量总和的无线电波段能量。它就是高能天体物理现象——快速射电暴(fast radio burst, FRB)
9月21日，我国科研人员在国际学术期刊Nature发表文章，对重复性快速射电暴FRB20201124A的起源进行了评估，通过对这个源的深度观测取得的若干重要发现都是国际首次。
为闪烁的深空拍一部影片
“
利用‘中国天眼’(FAST)这一当今世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜，我们的科研团队像拍电影一样，对FRB20201124A进行了54天的动态监测。”
快速射电暴是宇宙中偶发的无线电爆发事件。在几毫秒的时间内，它们所释放的无线电波段的能量，相当于世界当前总发电量累计几百亿年的总和。
由Duncan Lorimer发现的第一个快速射电暴FRB 010724。
(Lorimer et al. 2007, Science, 318, 777L)
快速射电暴是在无线电波段的脉冲信号，首次发现于2007年，十几年间虽已探测到几百个，但人们对它的认识仍然较为模糊，尚未弄清楚这类天文现象的物理起源。
2020年的一些天文观测表明有部分快速射电暴可以起源于磁星(即一类磁场极强的中子星)，但是那些宇宙学起源的快速射电暴，尤其是那些能够重复爆发的快速射电暴的起源仍不清楚。快速射电暴有大量的无线电波段的观测资料，然而长期以来缺乏对其核心区物理参数的直接观测资料。
依托于中国科学院国家天文台运行的、我国自主研制的国家重大科技基础设施“中国天眼”500米口径球面射电望远镜(FAST)，李柯伽(北京大学、中国科学院国家天文台)、朱炜玮(中国科学院国家天文台)、东苏勃(北京大学)、张冰(美国内华达大学拉斯维加斯分校)、胥恒(北京大学-中国科学院国家天文台联合培养)、陈平(北京大学)、牛佳瑞(中国科学院国家天文台)等人组成的FAST优先和重大科学研究团队开展了对快速射电暴的深入观测。
在54天中，他们利用“中国天眼”射电望远镜共观测到这个快速射电暴在82小时内发出的1863个爆发脉冲信号，这种高爆发率使得FRB20201124A成为已知最活跃的重复暴之一。
这些探测表明这个快速射电暴处于一个非常复杂的动态演化的强磁场环境中，这不仅加深了人类对快速射电暴的认识，还有助于人类理解快速射电暴及其周边环境如何产生这些射电暴并影响其传播。
和邻居一起“看星星”
“
“我们俩办公室是挨着的，是邻居，平日有许多交流。”“我们都认为对方完成了非常漂亮的工作。””
2021年4月，李柯伽教授团队利用FAST探测到快速射电暴FRB20201124A的重复暴，当时全世界探测到有重复暴的快速射电暴仅有21例，他立即将这一令人欣喜的观测结果分享给隔壁办公室的“科研邻居”东苏勃教授，东教授得知后马上组织团队对它的宿主星系进行光学观测。
此外，北大师生的研究亦与中国科学院FAST重点实验室(KLFAST)的关系颇为密切。该实验室依托于中国科学院国家天文台，立足世界最大单口径射电望远镜FAST，旨在回应国际天文前沿问题和国家重大战略需求。参与本次研究观测的胥恒博士由北京大学与中国科学院国家天文台联合培养。是北大师生与KLFAST的通力合作，共同推进了天文学界对快速射电暴的认知。
依托FAST，研究团队“拍摄”到了FRB法拉第旋转量动态演化的“电影”，首次发现了法拉第旋转量的奇异演化行为，即在前36天里法拉第旋转出现了无规律的短时标演化，而在随后的18天里几乎不变。
法拉第旋转量的短时标演化。阴影区有FAST观测，但是没有探测到FRB爆发，说明FRB是突然熄灭的。
首次发现了FRB的猝灭现象，即FRB20201124A从保持高事件率态到在74小时内突然熄灭；首次在FRB中探测到了与之前所有FRB都显著不同的高圆偏振度脉冲，其最高值达到了75%；还首次测到了偏振度随着电磁波波长振荡的现象。
FRB 20201124A 中探测到的线/圆偏振度和偏振位置角的振荡现象。
这些现象提供了在这个FRB周围1个天文单位(即太阳到地球的距离)的环境是非常复杂并且在动态演化着的证据。通过偏振振荡现象，该团队对这个FRB周围1个天文单位的环境的磁场给出直接限制，达到了高斯量级以上。
快速射电暴和宿主星系艺术想象图。世界最大单口径射电望远镜中国天眼(FAST)和空间分辨率最高的单口径光学望远镜凯克(Keck)望远镜承担本研究观测。
(绘图：喻京川、傅海)
通过国际合作，团队还使用美国凯克(Keck)10米光学望远镜首次分辨出了这个FRB的宿主星系的结构，揭示了它是约银河系尺度大小、富金属的棒旋星系，并且发现这个FRB所在区域恒星密度较低，处于旋臂之间，距离星系中心中等距离。团队认为这个环境和由于大质量恒星极端爆炸导致的超亮超新星或伽马射线暴后形成的年轻磁星模型不相符合。
通过Keck望远镜对FRB 20201124A的宿主星系进行的光谱和高分辨率成像观测
茫茫宇宙，浩大无际、遥远神秘，其间的天体与现象，相较于其他研究对象似乎显得格外难以把握。虽然如此，一位位天文学研究者却始终以开放平和且充满好奇的心，循序渐进地将诸多未知逐一变为已知。一次又一次的“首次发现”，共同积蓄了人类文明的进步。
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