快速射电暴|从神秘信号到水落石出，人类首次证实快速射电暴来自磁星( 二 ) 2月19日

文章图片
CHIME射电望远镜（来源：CHIME）
X射线是比可见光频率高得多的电磁波，而射电是比可见光频率低很多的电磁波。虽然能级差异巨大，但是两者的爆发可能有着千丝万缕的联系，是否会来源于同一天体呢？
水落石出
CHIME团队在报告中指出，这次的爆发在间隔29毫秒的时间内出现了2个明显的波峰，宽度分别为0.585毫秒和0.335毫秒。而在同一时间“慧眼”卫星监测到的高能、中能、低能三个能级的X射线流量中也出现了明显的波峰。更重要的是，双峰的结构、形态、时间间隔完全一致！这点也被同时观测的俄罗斯的KONUS-WIND探测器证实。说明X射线暴和快速射电暴起源于同一次爆发。

文章图片
FRB200428的双峰与“慧眼”观测到的X射线双峰（来源：TheCHIME/FRBCollaboration,2020,Nature;C.K.Lietal.2021,NatureAstronomy;中科院高能物理研究所）
由于X射线与射电能量不同，射电信号在行径过程中容易受到星际物质的影响，速度慢于X射线，会出现一定的延迟现象。而实际观测表明， “慧眼”观测到的X射线比CHIME和STARE2观测到的快速射电暴FRB200428早8.6秒出现，与其色散延迟的预期完全一致。这进一步支持了两者有着相同物理来源的判断。

文章图片
快速射电暴FRB200428的双峰晚于X射线双峰8.6秒（来源：中科院高能物理研究所）
不仅如此， “慧眼”卫星还绘制了X射线能谱，确定该事件不符合热辐射特征。例如白炽灯、我们人体、恒星都可以被认为是一个热辐射源，可以使用普朗克定律、斯蒂藩-玻耳兹曼定律等进行描述。然而很许多天体，如中子星、类星体、星际分子射电源的辐射谱形等特征与热辐射有着明显区别，它们被称为非热辐射源。而非热辐射恰恰是快速射电暴的特征，所以这更加肯定了两个事件的必然联系。但是非热X射线辐射在磁星中并不多见。

文章图片
“慧眼”卫星观测到非热辐射X射线能谱（来源：C.K.Lietal.2021,NatureAstronomy）
我们在前文中提到“弄清快速射电暴产生的根本原因”的两个关键中的第二点已经清楚了。那么第一点，它来自哪里，能不能得到确认呢？
CHIME团队与STARE2团队都对快速射电暴FRB200428做了定位。然而它们都是做大天区扫描或巡天观测的，无法精确定位到很小的范围，只能做出一个推断：这样强度的射电暴应当是银河系内的，而在捕捉到快速射电暴信号的时候，视场中最有可能的“活跃分子”就是磁星SGRJ1935+2154 。

文章图片
三个探测器视场及对磁星SGRJ1935+2154的定位：蓝色椭圆为STARE2 ，红色圆圈为CHIME ，白色等高线为“慧眼”卫星，红色十字为磁星SGRJ1935+2154已知的位置（来源：C.K.Lietal.2021,NatureAstronomy）
虽说可能性极大，但毕竟还未实锤。相较而言， “慧眼”卫星则具备一项特异功能。虽然它是X射线望远镜，虽然它不是可成像的X射线望远镜，但是它具有独特的准直器设计，可以对X射线暴进行高精度定位。准直器是什么原理呢？打一个不是太准确的比方，想象一下你用一根细细的试管去接花洒放出来的水，一定是将试管口对准花洒接到的水最多，试管口越倾斜，接到的水越少。准直器就可以通过X射线高能粒子在不同方向上的流量，运用数学方法倒推出源的方向。 “慧眼”卫星找到的位置与SGRJ1935+2154只差了3.7角分，相当于1/8满月的宽度，并且当时它的视场中只有这一个X射线源。除“慧眼”外，欧洲INTEGRAL卫星（InternationalGamma-RayAstrophysicsLaboratory ，国际γ射线天体物理实验室）也独立定位了辐射源。至此，产生2020年4月28日这次X射线暴和快速射电暴的源头被牢牢锁定，就是磁星SGRJ1935+2154 。

文章图片
红框标注的地方为“慧眼”卫星上的准直器（来源：中科院高能物理研究所）

文章图片
“慧眼”卫星准直器原理（来源：中科院高能物理研究所）
证据链完整，案件告破！
意义深远
这是人类首次确认了快速射电暴的起源天体，也是首个起源于银河系内的快速射电暴。对于理解快速射电暴的物理本质，无疑是个重要的里程碑。