快速射電暴

快速射電暴是指遙遠宇宙中突然出現的短暫而猛烈的無線電波暴發，持續時間極短，通常只有幾毫秒，卻能夠釋放出相當於太陽在一整天內釋放的能量。

基本介紹

• 中文名：快速射電暴
• 外文名： Fast Radio Burst 
• 本質：無線電波
• 時間：幾毫秒
• 能量：太陽在一整天內釋放
• 學科：天文學

產生起源

遙遠宇宙中突然出現的短暫而明亮的無線電波爆發，從近十年前首次被報告，就一直讓天文學家感到困惑。這些神秘的事件只有少數幾起得到確鑿的證認，但是此前的觀測沒有多少細節可以揭示它們到底如何發生，甚至到底在哪裡發生。

分析了近700個小時的美國國家科學基金會（NSF）綠堤望遠鏡（GBT）存檔數據後，一組天文學家已經發現了一個迄今為止包含最多細節的快速射電暴事件。這些新分析的數據，其中同時包括線偏振和圓偏振數據，表明這一爆發發生在高度磁化的區域內，有可能是一個近期的超新星，或活躍的恆星形成星雲。

快速射電暴是用射電望遠鏡探測到的來歷不明的短暫閃光，雖然持續的時間還不到一秒鐘，它所包含的能量卻比我們的太陽幾十萬年中發出的能量還多。迄今只有11個FRB事件獲得了確鑿的證認，但天文學家們相信，在可觀測的宇宙中每天都會發生成千上萬這樣的爆發。但是，要找到它們，卻需要仔細而審慎地分析當前和存檔中的日常射電天文觀測記錄數據。

在此前觀測的快速射電暴中，只探測到過圓偏振數據。造成這種情況的部分原因是望遠鏡的觀測能力，另外還有所能存儲的望遠鏡數據的限制。綠堤望遠鏡既有探測完整的偏振圖像的能力，又有充足的觀測數據存檔。

通過研究這最近一次探測到的線偏振數據，研究人員發現，從快速射電暴發出的無線電波顯示出法拉第旋轉效應，這是當無線電波通過一個強大的磁場時發生的螺旋形扭曲，其形狀就好像開啟葡萄酒瓶木塞的螺旋起子。

對信號進一步的分析表明，它在來地球的路上經過了兩個不同的稱為（散射）屏的電離氣體區域。通過分析兩個屏之間的相互作用，天文學家能夠確定它們的相對位置。最強的屏非常接近爆發的源頭，在爆發源的十萬光年以內，這將其置於源所處的星系內。只有兩種東西可以在信號上留下這樣的印記：源周圍的星雲，或者其星系中心的電離氣體。

此外研究人員還發現快速射電暴的無線電輻射具有類似恆星的閃爍現象。這種無線電波段的閃爍現象通常出現在脈衝星的觀測中。中國科學院國家天文台的李毅超博士分析了快速射電暴方向上一顆脈衝星的閃爍數據，表明快速射電暴也和脈衝星一樣，其閃爍部分是由銀河系星際介質引起的；同時也說明其爆發位置應當在30億光年以內。

100米的綠堤望遠鏡（又譯：格林班克望遠鏡）是目前世界上最大的全可動射電望遠鏡。它所處的（美國）國家射電寧靜區和西維吉尼亞射電天文區的位置使這一具有令人難以置信的靈敏度的望遠鏡可以免收不必要的無線電干擾，從而進行獨特的觀測。美國國立射電天文台是一個美國國家科學基金會的設施，根據合作協定由聯合大學公司運行。

觀測成果

中國科學院國家天文台於2015年1月2日對外發布三項天文觀測新成果，依次是對銀河系恆星做“人口普查”、快速射電暴、黑洞數據。“快速射電暴”是中國國家天文台研究人員在參與的國際合作項目中，發現了快速射電暴，猜想可能是一個近期的超新星遺蹟或是活躍的恆星星雲。

理論套用

恰逢愛因斯坦廣義相對論問世100周年之際，物理學期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）於2015年12月23日以“Editors' Suggestion”（主編推薦）形式，發表了中國科學院紫金山天文台高能時域天文團組首席研究員吳雪峰和助理研究員魏俊傑、北京師範大學副教授高鶴與美國賓夕法尼亞州立大學教授Peter Mészáros（中科院2013年度愛因斯坦講席教授）關於愛因斯坦等效原理的最新檢驗結果（Wei, Gao, Wu &Mészáros, 2015,Phys.Rev.Lett., 115, 261101）。該項研究利用快速射電暴不同頻率光子到達地球的時間差，精確驗證了愛因斯坦廣義相對論中的弱等效原理假設。

三個FRB觀測對後牛頓參數γ差值的限制結果

雖然目前關於快速射電暴的物理起源尚不清楚，但是它們絕大多數爆發於高銀緯處，而且它們的色散量要遠遠超過銀河系星際介質的貢獻，因此一般認為它們是河外起源甚至是宇宙學起源。另一方面，快速射電暴的光變曲線一般呈現簡單的單脈衝特徵，人們很容易得到不同射電頻率光子的觀測時間延遲。吳雪峰等人由此提出河外或宇宙學起源的快速射電暴可以被用來精確檢驗愛因斯坦等效原理。該工作利用一個快速射電暴FRB 110220和兩個可能的快速射電暴與伽瑪暴成協事件(FRB/GRB 101011A和FRB/GRB 100704A)為例，計算發現以不同頻率的射電光子為檢驗粒子時，後牛頓參數γ的差值上限被限制到10量級，見下圖。這一結果是迄今為止的最好限制結果，比之前相關限制至少要提高了1-2個量級，並且把對愛因斯坦等效原理的檢驗擴展到了射電波段，從而進一步證明了愛因斯坦等效原理假設的正確性。

最新進展

脈衝星和快速射電暴距離研究獲進展

天文研究中，測量天體到地球的距離通常很困難，但距離是最基本的參數。脈衝星距離是進一步研究脈衝星起源、演化、分布以及輻射特性等所需最基本的參數。目前已發現的兩千多顆脈衝星中僅約有十分之一的脈衝星具有測量距離（不依賴於模型的距離)。近年來，快速射電暴是天文觀測中發現的一類起源未知的、色散量較大的、持續時間為毫秒級的射電脈衝。快速射電暴的距離對分析其起源以及與銀河系的位置關係（河內源或河外源）非常重要。已探測到的17個快速射電暴中有紅移測量的僅為兩個。

脈衝星發現不久，科學家發現使用脈衝星測量距離以及色散量（DM）可構建銀河系的電子密度模型。套用此模型可估測所有具有色散量測量的銀河系內脈衝星的距離，且模型距離的精度極大依賴於已知距離測量的脈衝星數目、準確度。最近的銀河系電子密度模型是NE2001模型，此模型主要描述了銀河系內自由電子密度的分布。

近期，中國科學院新疆天文台博士生姚菊枚構建了新的電子密度模型（簡稱YMW16）。相對已有模型，通過近十多年觀測，YMW16具備以下有利條件：一、具有測量距離的脈衝星數目增加了一倍，且銀河繫結構參數精度提高；二、麥哲倫雲脈衝星數目增加，對麥哲倫雲結構認識得到提高；三、發現快速射電暴，研究了星系際介質自由電子密度的分布。研究人員緊抓時機，提出的YMW16不僅提高了銀河系脈衝星模型距離精度，在95%的置信區間範圍內優於NE2001近40%，且是第一個可用於估測麥哲倫雲脈衝星及快速射電暴距離的模型。姚菊玫在澳大利亞天文台教授R. N. Manchester與導師王娜的指導下，完成這項工作。相關研究成果已發表在《天體物理學雜誌》（The Astrophysical Journal，2017, 835, 29）上。

今後，具有測量距離的脈衝星數目的增加、更準確的銀河繫結構以及更多快速射電暴紅移的測量，將有助於人們進一步檢測和提高YMW16對距離估計的精度。

天文學家觀測到迄今最明亮的“快速射電暴”

美國加州理工學院天文學家維克拉姆-拉維(Vikram Ravi)和同事探測到迄今最明亮的快速射電暴(FRB)。快速射電暴是一種持續僅幾毫秒的強射電束，其神秘起源仍是一個謎團。

迄今為止天文學家僅探測到18次快速射電暴，多數僅單次爆發，不會重複爆發。此外，天文望遠鏡探測的多數快速射電暴圖像解析度較差，從而很難精確定位爆發位置。目前，最新觀測的明亮快速射電暴FRB 150807可使天文學家更精確地定位爆發位置。