快速射電暴脈衝研究進入高統計性時代

快速射電暴每天十幾萬次閃耀宇宙，是通訊頻段最亮的神秘信號，卻直至2007年才被人類首次發現，由此開啓了天體物理學中的一個全新領域。“天眼”FAST的深度探測獲取了世界最大樣本，推動快速射電暴研究進入高統計性時代。之江實驗室徐佳瑩博士和國家天文臺李菂研究員在《科學通報》發表文章，對“2021年度中國科學十大進展”獲評項目進行解讀。

圖片來自百度百科

快速射電暴（FRB）是在宇宙空間中發生的持續時標爲毫秒量級的射電脈衝信號，瞬時輻射流量峰值可達數十央斯基（Jy），爆發的總能量相當於太陽幾天甚至幾個月內輻射的總能量。

快速射電暴於2007年被Lorimer等人[1]首次發現並報道之後，經歷了初期的真實性質疑。在射電這個波段，快速射電暴的信號很容易被淹沒在手機、WiFi這類人造無線電信號之中，直到2013年4個新的快速射電暴被發現[2]，質疑聲才逐漸消失。人們轉而對快速射電暴產生了極大的興趣，快速射電暴正式成爲天文學重要的新興領域。近幾年，得益於新的觀測設備和技術的不斷更新和突破，以及不斷壯大且充滿活力的科研人員，無論是快速射電暴觀測的樣本數量，還是人們爲解開快速射電暴起源之謎所作出的貢獻量，無疑都是巨大的。

隨着近幾年大量快速射電暴樣本的出現，重複的快速射電暴（以下簡稱“重複暴”）也隨之被天文學家們注意到，尤其是FRB 20121102和FRB 20201124，都被觀測到有極高的爆發率。FRB 20121102是天文學家於2015年發現的第一個重複的快速射電暴源[3]。這個源初次記錄於2012年，並於2015年在相同的空間位置再次被探測到，且色散量（表徵傳播路徑上穿過的自由電子柱密度）也相同。在之後的觀測中，FRB 20121102以極高的重複率區別於其他的快速射電暴，也是第一個被定位的重複暴[4,5]。2021年，李菂團隊[6]利用中國500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）成功捕捉到了FRB 20121102的極端活動期，首次展現了快速射電暴迄今爲止最寬能量範圍的分佈情況，在59.5 h內累計獲取了1652個高信噪比的爆發信號，最劇烈時段達到每小時122次爆發（圖1）。本次記錄的次數超過了以往所有文獻記載次數的總和，構成有史以來最大的快速射電暴數據集，爲探索快速射電暴的理論模型提供了新的線索。比如，李菂團隊[6]根據FRB 20121102在高能端的爆發，推測出重複快速射電暴可能並非來自單一、孤立緻密天體；內華達大學張冰教授則推測，該快速射電暴可能起源於一種特殊的中子星，可能是一顆“年輕的中子星”（https://m.thepaper.cn/baijiahao_16168383）；頻繁的爆發還對相干輻射模型進行了限制，相干輻射是否可以在如此短的爆發時間間隔內完成發射也是一個問題。該研究成果於2021年10月14日發表在Nature雜誌，並被評爲“2021年度中國科學十大進展”之一。由此可見，快速射電暴在天文領域的新興程度和活躍程度很高，但關於其起源和產生機制目前尚缺乏共識。

圖1 FRB 20121102爆發的各向同性等效能量在1.25 GHz的爆發率[6]

隨之而來的問題是，是否所有的快速射電暴都會重複爆發？目前在觀測到的數百例快速射電暴爆發源中，大部分快速射電暴是一次性爆發的，僅有約4%呈現出重複爆發的現象。目前只爆發了一次的快速射電暴會不會被觀測到第二次爆發呢？這類後隨監測任務對於具有極高靈敏度的FAST十分有利。那麼，這些重複爆發的快速射電暴是否具有周期性呢？這又是一個令人費解的問題。迄今爲止，確切找到週期性的快速射電暴還只有一例，即FRB 20180916，這個快速射電暴存在一個16.35 d的週期[7]。FRB 20121102也通過觀測發現可能存在一個159 d的週期[8]。

2020年1月11日，FAST正式投入運行。FAST實現了多項自主創新，彙集了世界最先進、最精尖的儀器和技術，攻克瞭望遠鏡巨大體量和超高精度等技術難題，顯著提升了我國射電天文研究和技術水平，綜合性能達到國際領先水平，對我國天文學領域實現重大原創性突破起到了重要的基礎支撐作用。FAST的高靈敏度已經在低頻引力波、快速射電暴、脈衝星等前沿方向催生突破。未來還將建設FAST陣列，其高靈敏度和高角分辨水平有望在射電天文領域實現世界領先，中國天文學家將憑藉FAST做出更多世界一流的研究成果。

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快速射電暴最新進展

2018年之前，全球望遠鏡觀測到的FRB爆發數量只有10餘例，2018年之後，觀測樣本激增至約600例，重複暴也從之前的2例發展成現在的24例，並完成了19個宿主星系的定位工作[9]。這在很大程度上歸功於加拿大氫強度圖譜實驗射電望遠鏡（CHIME/FRB），其超大視場對快速射電暴的觀測是非常有利的，每天都能發現幾例新的快速射電暴。伴隨着大量樣本的出現，近幾年對快速射電暴的起源以及宿主星系方面的研究進展迅速。

（1）快速射電暴的產生機制和物理起源至今仍有許多未解之謎。鑑於快速射電暴極短的爆發時間和極高的亮溫度等特徵，很多天文學家猜測磁陀星（即磁場極強的特殊中子星）是產生快速射電暴的最佳候選體[10,11]。2020年4月28日，加拿大CHIME望遠鏡和美國STARE-2望遠鏡首次探測到來自銀河系內的一顆名爲SGR 1935+2154磁陀星的毫秒射電爆發（FRB 20200428）[12,13]，這是人們第一次從磁陀星上探測到如此明亮的射電輻射。FAST對該磁陀星進行了監測[14]。兩篇發現文章和FAST監測結果同時發表在Nature雜誌。同一時間，我國科學家利用“慧眼”衛星同樣探測到了該磁陀星產生的X射線和FRB 20200428的同時爆發[15]。經過數據分析，證實了這兩個同時爆發的事件是由同一個爆發過程產生的。這一觀測結果發表在Nature Astronomy，意味着國際上首次認證了磁陀星是產生快速射電暴的天體之一。該例銀河系中的快速射電暴被評爲“2020年十大科學發現”之一。

（2） 快速射電暴重複暴的發現對定位其宿主星系起到了至關重要的作用。快速射電暴定位的難度非常大。Ravi等人[16]使用多波束探測，首次將定位區域鎖定在了兩個波束的重疊部分。Chatterjee等人[4]結合使用VLA陣列和綜合孔徑技術成像技術，成功找到了FRB 20121102的宿主星系——一個質量小、金屬丰度低的矮星系。但是VLA陣列的視場很小，且快速射電暴的爆發時間不確定，如果不是FRB 20121102非常高的爆發率，使用VLA進行定位的時間成本是難以估量的，所以這種定位方法無法成爲主流。之後，位於澳大利亞中西部沙漠的SKA探路者陣列（ASKAP）使用相控陣接收機，同時兼顧視場和空間分辨率，能夠在僅有一次爆發的情況下就定位出一個足夠探測宿主星系的空間區域，使之成功成爲快速射電暴定位的利器。ASKAP目前已定位出10餘個快速射電暴。

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創新性和科學意義

在過去的5年裡，隨着樣本數量的不斷增加，快速射電暴的時間尺度從納秒到毫秒量級，距離從kpc到Gpc量級，快速增加的樣本數量除了有助於識別源的類型和不同輻射機制之外，還有助於根據目前搜尋過程中的不足之處推動未來儀器設備和搜尋算法上的改進和突破，以尋求樣本質量上的提升，進而實施更有科學研究價值的觀測項目。 隨着觀測設備的不斷改進和搜尋算法的更新， 未來5年的快速射電暴觀測樣本將有望超過過去半個世紀發現的已知銀河系射電脈衝星集合。假設快速射電暴與中子星有關，那麼我們可能很快就會發現比銀河系中的中子星更多的河外中子星。這個大樣本對於種羣綜合研究和局部環境特性的統計研究都是至關重要的。

科技的創新能力已經成爲國家實力最關鍵的體現，學科解決理論問題，技術解決實際問題。技術的進步推動着科學的進步，科學的論證又離不開技術的支持，科學與技術本就是相輔相成的關係。Dan Werthimer於2015年訪問國家天文臺時打賭說，“FRB 20121102的定位工作會在FAST成功運行之前完成”。預言最終實現，FAST沒能在第一時間見證FRB的發展，但是中國從來沒有停止過相關的建設。FAST從提出到運行，歷經20餘載，終在2020年投入使用，並打破了多項技術瓶頸，利用其超高靈敏度的優勢捕捉到了FRB 20121102的活躍脈衝，59.5 h內1652次的爆發數量打破了之前自這個源347次爆發數量的觀測紀錄，並催生出了一系列具有創新性的研究成果：(1) 相較之前普遍局部的能量譜圖，首次揭示了快速射電暴爆發率存在特徵能量(4.8×1037 erg)並具有雙峰結構，嚴格限制了單一磁陀星起源等多種模型，揭示了快速射電暴的基礎物理機制；(2) 在爲期47 d的觀測活動中，通過1652次的爆發計算得出的總各向同性的能量爲6.4×1046 erg，佔磁陀星總能量的約38%；(3) 1652次爆發之間的時間間隔呈現出正則對數分佈，這種分佈形態也在其他天體物理爆發中出現過，一般對應隨機過程。極高的爆發率有利於對重複暴進行統計分析和檢查時域上的特徵及機制，揭示過去不被觀察到的快速射電暴特徵，對現有的快速射電暴模型也提出了嚴格限制。

本輪觀測並沒有發現其週期性的規律，可能由於隨機波束、輻射高度的變化或是傳播的延遲效應導致其週期性被掩蓋，更可能是由於輻射過程內稟的隨機性。

過去雖有遺憾，但未來必定不會錯過。相信在不久的將來，中國天文學家將憑藉FAST做出更多世界一流的科學成果。這也是各國之間科技水平的較量，FAST以後來居上的姿態追趕着前方數不盡的賽道。未來，我們還將擁有FAST陣列，更多、更高精度的觀測數據以及更先進、智能的算法必將推動快速射電暴領域的高速發展。除了快速射電暴，宇宙中還存在着各種各樣未知的現象等待着人們去窺視。技術的進步決定了人類認知的邊界。

推薦閱讀文獻

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徐佳瑩之江實驗室智能計算平臺研究中心計算天文組博士後。澳門科技大學地球與行星科學專業博士。主要研究方向爲快速射電暴、磁重聯。

李菂中國科學院國家天文臺研究員、FAST首席科學家，觀測天文學者，突破基金會聆聽計劃指導委員會委員。發現了星際分子氧氣，組織發現了FAST首個新脈衝星、首個新快速射電暴等。主要研究方向包括星際介質、望遠鏡技術、脈衝星搜索及快速射電暴等。

原文信息:

徐佳瑩, 李菂. 快速射電暴脈衝研究進入高統計性時代. 科學通報, 2022, 67: 2700–2703, doi: 10.1360/TB-2022-0346（"閱讀原文"直達）

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