《中国天眼》的重要成果发布 《自然》都与之相关
出品：科普中国
作者：蕉叶
监制：中国科学院计算机网络信息中心
最近在著名学术期刊《自然》上同时发表了四篇论文。发现并论证了一个快速无线电风暴FRB 200428起源于磁星SGR 1935 2154，为“快速射电暴源于磁星”的理论推测增加了有力证据。其中一篇论文是基于中国FAST望远镜的观测结果。10月底，fast的观测结果首次发表在《自然》期刊上，也是关于FAST射电爆发的。
来自磁星磁层的快速射电风暴(艺术地图)
图片来源：中国科学院国家天文台
快速无线电突发：发现和查询
2007年，天文学家洛里梅在一个古老的观测数据(澳大利亚公园64米射电望远镜2001年7月的一次观测)中发现了一个明亮、分散的射电波段爆发，持续时间只有大约5毫秒。更让人惊讶的是，如果按照观测到的色散来估算距离，发射这次“洛里默风暴”的天体应该离地球有36亿光年！
虽然“洛里默风暴”的相关研究成果发表在当时著名的学术期刊《科学》上，但很多天文学家并不认为这种观测到的现象真的来自遥远的太空。
大家的怀疑不无道理：
1.这次爆发只发生过一次，后续的观察没有再发现，也就是说不能通过反复观察来验证；
2.这个信号太亮了。明亮到让天文学家觉得不真实，难以用已知的天象解释；
3.帕克斯的64米望远镜已经观测到了这个被称为“佩里顿”的信号(佩里顿是一个传说中的半鹿半鸟的怪物，但它的影子是人)。这个信号类似于“洛里默风暴”，有明显的色散，但可以确定是地球上的干扰信号。后来，“perytons”被证明是帕克斯天文台的微波炉产生的信号。
因此，“洛里默风暴”的发现并没有引起天文学家的太多关注。直到6年后的2013年，又观测到4次同类射电爆发，相关领域的天文学家开始蠢蠢欲动。
这种无线电爆发被官方称为快速射电暴（Fast Radio Burst，FRB）.
起源之谜
人们对快速无线电脉冲知之甚少。甚至起源于哪里？天文学家有很多观点。
如前所述，快速无线电突发的特征之一是大量的色散。色散，是电磁波传播过程中受到自由电子影响而产生一种观测效应.电磁波通过的电子越多，色散效应越明显，色散量越大。
天文学家已经知道了银河系中电子的分布，也就是说，他们可以估算出电磁波到达地球时从银河系任何位置发出的色散。对于快射电爆发，即使发出信号的天体来自银河系边缘，估计的色散也远小于观测到的色散。
一些天文学家认为，“多出来的”色散量，应该是在银河系外的电子影响下产生的.基于各种物理假设，天文学家可以根据色散在远离银河系的空间定位快速射电爆发。然而天文学家却找不到一种天体能在如此遥远的地方发出如此短暂而明亮的信号。一些天文学家认为，快射电爆发应该起源于遥远星系的致密天体，比如中子星的一些特殊辐射机制，中子星和白矮星的合并，双中子星的合并，黑洞的蒸发等等。
也有部分天文学家直接否定快速射电暴起源于银河系外的说法认为它们应该来自银河系内部，它们的大弥散来自相应天体周围的未知电子气。
由于早期发现的快速射电爆发只出现过一次，观测到的信息有限，所以它们来自银河系外部还是内部存在争议。直到2016年，人们第一次发现了一个反复出现的快速无线电突发FRB 121102，事情才得以扭转。
重复爆发意味着天文学家可以使用各种手段多次测量快速射电爆发。2017年，天文学家高精度定位了FRB 121102，并在此位置观测了其遥远的星系，从而印证了快速射电暴起源于银河系外's的观点。
然而，关于是哪个天体引起了快速射电爆发，目前仍有争论。
随着观测和研究的进展，在快速射电爆发起源的许多可能性中，一些天文学家更喜欢以下两种可能性之一：
1.中子星磁层的相干辐射；
2.中子星与星际介质相互作用产生的相对论激波诱导的相干辐射
FAST最近的成就给第一起源理论增加了很大的分量。
FAST的裁决(一)
2019年，FAST开始接受国内天文学家的观测申请。北京大学和中国科学院国家天文台培养的博士生洛瑞，利用这个难得的机会，用FAST望远镜观测到了一次FAST射电爆发FRB 180301，希望能探测到它的反复爆发。
幸运的是，在12小时的总观察时间内，FAST多次观察到FRB 180301，并看到15次重复爆发。
幸运的是，FAST观测了11次重复爆发的极化，获得了7次重复爆发的高灵敏度极化信息。
FAST这个观测结果首次在重复暴的单个脉冲之间发现偏振位置角发生变化。
如果快射电爆发真的是上面提到的两个起源之一：中子星磁层相关或中子星相对论冲击波相关，那么FAST的观测结果相当于宣布“中子星磁层相关”这一理论的正确性.因为相对论冲击波相关理论很难产生变化的偏振位置角。
FAST的裁决(二)
2020年4月28日，加拿大氢强度绘图实验(CHIME)的圆柱望远镜探测到一次快速射电爆发。后来天文学家在美国STARE2望远镜的日常观测数据中也发现了这个快速射电爆发。根据这个快速射电爆发到达地球的日期，它被命名为FRB 200428。FRB 200428的位置与已知磁星SGR 1935 2154(为方便阅读，以下简称“磁星S”)的位置一致。
以前科学家用色散来估算这个快速射电爆发的距离时，发现应该是在银河系！而且估计FRB 200428和磁星S的距离基本相同。同方向同距离，也就是说FRB 200428的信号来自磁星S.这是天文学家第一次观测到位于银河系内的快速射电暴.
磁铁矿是一种软伽马射线中继器(SRG)，这意味着它可以多次发射软伽马射线波段的电磁波。天文学家认为fast射电爆发可能与软伽玛射线重复爆发有关，所以早在探测到FRB 200428之前，中国天文学家就开始多次使用FAST望远镜监测磁星S，希望证明FAST射电爆发与软伽玛射线重复爆发之间是否存在联系。
不幸的是，当快中子爆发FRB 200428出现时，FAST正忙于观测其他恒星。此外，当FAST观察到磁铁矿s时，没有其他快速射电爆发。
幸运的是，在FRB 200428到达地球前14小时，FAST对万磁王S进行了约1小时的连续观测，在此期间，万磁王S发射了29次软伽马射线暴。
简单地说，这事情的逻辑是这样的：
大家都怀疑fast射电爆发和软伽玛射线爆发之间有联系，于是FAST盯着一颗可能有软伽玛射线爆发的磁星，想知道这颗磁星上出现软伽玛射线爆发时是否会有FAST射电爆发。观测的结果是，有29次软伽马射线爆发，但没有相应的快射电爆发。那么这个结论很明显：快速射电暴和软伽马射线暴之间可能并没有明显的关系。
FAST的这一观测也表明，快射电爆发的起源应该是中子星磁层关联，而不是相对论冲击波关联。
起源不是磁星？不一定
那么，快射电爆发一定来自磁星吗？天文学家给出的答案是否定's.
几个天文望远镜对快射电爆发FRB 200428的观测结果只能说明magnetar是快射电爆发的可能起源，而不能说明所有的快射电爆发都来自magnetar。
FRB 200428的能量比银河系外发现的最弱快射电爆发弱30倍，比发现的最强快射电爆发弱1亿倍！因此，一些天文学家认为，反复爆发的暗快射电爆发起源于磁星；只有一次爆发的快速射电风暴，通常是明亮的，起源于两个致密天体(如白矮星、中子星和黑洞)的碰撞和合并或其他极端现象。
但也有天文学家认为现在探测到的快速射电爆发并没有表现出明显的分类趋势，我们可以认为它们都起源于同一种物理起源。
未来可能会有来自多信使天文学的观测，这将进一步揭开快速射电爆发起源的面纱。
期待FAST…….
fast射电爆发FRB 180301的极化观测和与fast射电爆发FRB 200428有关的观测有力地表明，FAST射电爆发很可能起源于磁星的磁层。天文学家对发射快速射电爆发的天体以及产生快速射电爆发的物理过程有了更深入的了解。
FAST的观测结果也表明，中国天文学家凭借FAST望远镜的高超性能，可以做出世界级的研究成果。
让我们期待FAST带给我们更多惊喜。
参考文献：
1.重复快射电爆发源的不同极化角摆动。《自然https://doi.org/10.1038/s41586-020-2827-2》(2020)。
2.CHINM/FRB合作。一颗银河磁星发出的明亮的毫秒级射电爆发。《自然http://doi.org/10.1038/s41586-020-2863-y》(2020)。
3.与银河磁星相关的快速射电爆发。《自然https://doi.org/10.1038/s41586-020-2872-x》(2020)。
4.银河磁星爆发阶段没有脉冲无线电发射。《自然https://doi.org/10.1038/s41586-020-2839-y》(2020)。
5.快速无线电波爆发的物理机制。自然https://doi.org/10.1038/s41586-020-2828-1(2020)
