全球首例！FAST如何發現這個“勤奮”的快速射電暴？

編者按：中國天眼FAST又有新發現！

藉助FAST，中國科學院國家天文臺李菂研究員領導的國際團隊發現了迄今爲止唯一一例持續活躍的重複快速射電暴 FRB 20190520B，爲構建快速射電暴的演化模型、理解這一劇烈的宇宙神秘現象打下了基礎。該成果於北京時間2022年6月9日在國際學術期刊《自然》雜誌發表。

這個快速射電暴爲啥是“勤奮”的？還有哪些特殊之處？今天，我們請這篇《自然》文章的作者，中國科學院國家天文臺李菂研究員、青年學者牛晨輝來講述他們追尋FRB的故事。

每次有機會仰望星空，思維總能變得深邃起來，這種感覺和在海邊看海的感覺是不一樣的。我在豔陽下的海灘見過平靜的海岸，也在礁石邊注視過破濤洶涌的浪花，大海能帶走人們的煩惱，讓人瞬間平靜下來。

而當擡起頭看到浩瀚星河的那一刻，我們更容易變成思考者，“我們從哪裡來，到哪裡去？”“宇宙有沒有盡頭？”“會不會有外星人同時也在遠處這麼看着我？”……也正是由於人們對神秘未知宇宙的好奇，纔有了天文學這一門學科。作爲天文研究者的我們，正在追尋着宇宙中一種神秘的信號——FRB。

快速+射電+暴=FRB

宇宙一直是一個神秘的存在，我們尚不能完全理解我們賴以生存的星球，更別提宇宙中那些超乎我們想象力之外的奧秘了。人們眨一下眼睛的時間大概300毫秒，而宇宙中有種現象，可以在1毫秒的時間內爆發出太陽大約一年才能輻射完的能量，這種現象就是最近天文學中非常火爆的領域——快速射電暴。

快速射電暴（Fast Radio Burst，FRB）領域的研究歷程並不長，直到2007年，帕克斯（Parkes）望遠鏡才公佈首例快速射電暴[1]。根據推算出的距離，那次爆發比以往探測到的射電單脈衝要明亮很多，但當時人們還不確定該信號是什麼，也沒有用日後常用的“FRB”來稱呼它。該暴由FRB領域創始人鄧肯·洛裡默（Duncan Lorimer）發現，後來也被人們稱爲洛裡默暴（Lorimer Burst），如圖1所示。在最近十幾年時間裡，該領域得到了飛速發展，成爲天文領域的熱門方向。

圖1. 2007年公佈的洛裡默暴（Lorimer burst）動態譜[1]。

從“一次性”到“可重複”

像絕大多數天文發現一樣，快速射電暴領域的發展是由觀測設備的更新以及新技術應用所推動的。比如第一例快速射電暴的發現得益於高時間分辨率終端以及多波束接收機的裝配；第一次找到快速射電暴對應的宿主星系得益於干涉陣列高時間分辨率的實時搜尋；FRB 20121102A上千次爆發的最大樣本集得益於FAST望遠鏡大口徑帶來的高靈敏度[2]；澳大利亞平方公里陣列探路者射電望遠鏡（ASKAP）公佈的非重複暴定位工作得益於相控饋源及多波束合成搜尋技術。

而隨着該領域不斷取得突破，世界上越來越多的望遠鏡都裝配了快速射電暴搜尋終端，擴大了快速射電暴樣本集，促進了該領域的發展。隨着一批望遠鏡對該領域的持續投入，快速射電暴源的個數也從早期的個位數增長到了目前近500例。

早期，人們發現的快速射電暴都只探測到一次爆發，當時“不可重複性”成爲了快速射電暴的一個標籤。直到 2016 年，被重複探測到爆發的FRB 20121102A打破了人們對快速射電暴的傳統認識——原來還有一類快速射電暴可以多次爆發，它們的爆發期稱爲窗口期。

雖然可以被重複探測到，研究人員並沒有搜尋到如脈衝星那樣的短週期。重複暴有很多可研究內容，比如搜尋其宿主星系，進行多波段觀測等。在目前的幾百餘例快速射電暴樣本中，重複快速射電暴源的數目只有24個，而其中活躍重複暴（即在其窗口期內頻繁爆發）僅有個位數，是非常珍貴的研究樣本。

在“浪漫”的日子裡發現了“勤奮”的它

作爲目前世界上最大的單口徑望遠鏡，FAST也在幾年前開展了快速射電暴的搜尋工[3][4]。CRAFTS項目是李菂研究員負責的FAST重大優先項目，快速射電暴的搜尋工作是該項目中的一個重要方向。國家天文臺朱煒瑋研究員負責的FAST另一優先重大項目“快速射電暴巡天”爲FRB 20190520B的後隨觀測提供了重要支撐。2020年，FAST多科學目標同時巡天（CRAFTS）優先重大項目公佈了基於調試數據發現的四例新的非重複快速射電暴，這幾例快速射電暴是FAST首批發現的快速射電暴，填補了快速射電暴在高色散低流量通量的樣本空白[5]。

2019年5月20日，我們在處理觀測數據時，發現FAST探測到了一例活躍的重複快速射電暴。依據慣例，我們用探測日期來命名快速射電暴，稱爲 FRB 20190520B。在今天看起來，“190520”也許就象徵了我們和這個FRB的“浪漫”相遇。

在最初被探測到時，FRB 20190520B就表現出活躍的跡象。我們在同一個波束掃過的10秒中內，看到了3次爆發，而20秒後，另外一個波束掃到相鄰位置時又探測到1次爆發[6]。根據FAST漂移掃描中最開始發現的 4 次爆發的時間及望遠鏡指向，我們將爆發區域縮小到了5角分的範圍內（如圖3所示），而這也爲後續利用干涉陣列跟蹤提供了相對精確可靠的位置信息。

其他重複快速射電暴只有在爆發窗口期才能探測到信號，而在FAST的後續跟蹤觀測中，每次都能收到FRB 20190520B發來的“射電情書”，有時候是十幾封，有時候只有幾封，但從未間斷，可以說是“相當勤奮”了。它也是目前找到的唯一持續活躍的重複FRB。

圖2. FRB位於銀道座標系下的全天分佈，紅色五角星位置是FRB 20190520B。其他快速射電暴都有窗口期，而勤奮的FRB 20190520B從未停歇。

通過國際合作，看到了更特殊的它

找到FRB 20190520B之後，我們的國際團隊通過組織多臺國際設備天地協同觀測，綜合射電干涉陣列、光學、紅外望遠鏡等數據，發現了它更多的特殊之處。

這個過程就像是我們想盡辦法，終於抓到了“神獸”的蛛絲馬跡

圖片來源：中國科學院國家天文臺

1.利用VLA定位到更精確位置——發現了持續射電源

宿主星系是快速射電暴的“家”，一般快速射電暴的“家”都在銀河系外，通過了解其宿主星系可以更好地幫助我們瞭解其起源。

爲了獲取更精確的位置從而找出其宿主星系，我們申請了美國甚大陣列（Very Large Array, VLA）的觀測。2020年7月20 日，我們開始了VLA對FRB 20190520B的搜尋觀測。由於FAST提供的位置相對精確以及FRB 20190520B非常活躍，我們在第一次的VLA觀測中就探測到了來自FRB20190520B的爆發，並將該源的位置限制在了亞角秒的範圍內。

更加令人興奮的是，我們在快速射電暴成協的位置，發現了一顆緻密的持續射電源的存在，這是繼首例重複暴FRB 20121102A後，第二例探測到伴隨有致密持續射電源的快速射電暴。雖然這個持續射電源的對應體究竟是什麼還未知，但有學者認爲，FRB的起源與緻密射電持續源有着非常重要的關係。

圖3.FAST與FAST首次探測到的FRB20190520B四次爆發。

2.尋找FRB20190520B宿主星系——距離我們30億光年

有了角秒級的定位，我們通過搜尋存檔的光學望遠鏡數據，找到了FRB20190520B的“家鄉地址”，並馬上組織了對宿主星系的光學後隨觀測。通過美國帕洛瑪 200 英寸望遠鏡（Palomar 200-inch telescope）和凱克（Keck）望遠鏡，我們分別得到了兩組光譜。分析發現，這兩組光譜數據呈現出一致的結果：FRB 20190520B的宿主星系是一個紅移 0.241 的矮星系，距離我們30億光年。

圖4.FAST望遠鏡與VLA望遠鏡合成圖，上圖爲VLA陣列，下圖爲FAST。

3.複雜的宿主星系環境——挑戰經典模型

射電信號在空間傳播時，會與路徑中的介質相互作用從而產生色散效應。我們用色散值表徵傳播路徑中電子數密度總和。FRB 20190520B擁有相對高的色散值，表明其傳播路徑中穿過了複雜的電子分佈。我們根據測定的紅移信息，得出其宿主星系內貢獻的色散值高達約 900 色散單位，這是目前得到宿主星系貢獻色散值最大的快速射電暴，證明其近源位置具有非常高的電子密度。

傳統的色散關係認爲，快速射電暴的色散現象大部分是由宿主星系與銀河系之間的星系際電子貢獻的，而我們這次發現的FRB 20190520B遠遠偏離了色散與紅移關係，挑戰了經典的色散分析方法。

圖5. 從色散-紅移關係上清晰可見FRB 20190520B遠遠偏離了其他快速射電暴。圖中斜線爲包含了宇宙主要重子物質成分的“Macquart Relation[7]”，陰影區域爲cosmic variance[6]。

結語

FRB 20190520B的發現雖具有一定的偶然性，但更是我國持續增加的大科學裝置投入取得突破的必然，得益於以南仁東先生爲代表的幾代天文人的努力。2020年，FAST啓動“快速射電暴巡天”優先重大項目，和另一個優先重大項目“多科學目標同時巡天”，爲後續觀測提供了重要的時間支持。

相比於其他快速射電暴，FRB 20190520B可以說是最勤奮的快速射電暴。它的“勤奮”像極了我國科研人員勤勤懇懇、默默付出、敢於堅守冷板凳的奉獻精神。我們年輕一代的科研工作者出生在了一個偉大的時代，老一輩科學家們經過幾十年呵護的小樹苗如今已經長成了參天大樹。站在巨人的肩膀上，我們更加自信，也要將這種科學精神傳承下去。

從FRB 20190520B的發現到現在，我們利用FAST已經探測到了數百次爆發，獲得了大量的寶貴數據，期待之後更多、更精準的觀測可以幫助我們揭開快速射電暴的神秘面紗。

（本文圖片除註明來源者外，均由作者提供）

參考文獻：

[1] Lorimer, D. R., et al. 2007, Science, 318, 777

[2] Li, D., Wang, P., Zhu, W. W., et al. 2021, Nature, 598, 267

[3] NAN, R., LI, D., JIN, C., et al. 2011, Int J Mod Phys D, 20, 989–1024

[4] Li, D., Wang, P., Qian, L., et al. 2018, IEEE Microwave Magazine, 19, 112.

[5] Niu, C.-H., Li, D., Luo, R., et al. 2021, ApJL, 909, L8

[6] Niu, C. H., Aggarwal, K., Li, D., et al. 2021, arXiv:2110.07418.

[7] Macquart, J.-P., et al. 2020, Nature, 581, 391–395

作者：牛晨輝 李菂（中國科學院國家天文臺）

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