神秘射电信号源可能来自黑洞旁的中子星

2018-01-22 13:03:00 环球科学 分享
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  从人类发现了“快速射电暴”(FRB)以来,这种天文现象的神秘来源一直困扰着天文学家。FRB是一种以频率和强度惊人的无线电波暴发,它们来自于未知的遥远银河系外,持续时间只有短暂的几毫秒,但携带的能量甚至达到了太阳能量的数百万倍。一直以来,人类捕捉到的FRB都是稍纵即逝的,但是编号为FRB121102的快速射电暴则具有与众不同的反复暴发的特性。这究竟是普遍现象还是巧合呢?

  一个团队目前正在研究距离地球30亿光年的FRB121102,这是目前唯一检测到重复信号的快速射电暴。科学家发现这个信号处于强磁场环境中,而如此之强的磁场之前只在靠近银河系中心的一个中子星附近检测到过,这颗中子星非常靠近银河中心的超大质量黑洞。研究团队认为,这个FRB源自一颗年轻的、快速旋转、高度磁化的中子星,也被称为磁星,它很有可能绕着大质量黑洞旋转。这个发现在发表在1月11日的《自然》杂志上。

  “有史以来第一次,我们对射电暴的源头所处的环境有了些了解,那可是30亿光年外。”论文共同作者,康奈尔大学的Shami Chatterjee说道。“我们意识到这是两个极为奇异的天体的叠加效应:我们需要一颗前所未有的磁星,而且我们需要把它放在一个大质量黑洞的旁边。但是在我们所处的星系中确实有类似这样的例子。”不过,天文学家没有发现靠近银河系中心的那颗磁星发出FRB,目前观测到的FRB来源通常都非常遥远。

  FRB来自何方?

  FRB信号十分奇特的性质证明它们确实离我们很遥远,它们发出的无线电波在穿过充斥在恒星和星系之间的气体云和电子时出现了色散,色散的程度和它们到我们的距离成正比。这说明FRB可以作为探测宇宙结构的最佳工具,研究人员不仅可以知道某个FRB源头距离我们有多远,还可以知道从射电源到我们这里经过了多少星际和星系物质。但是为了更深入地理解它,天文学家还需要知道FRB是如何产生的,科学家探测到FRB121102的重复信号,究竟是一个普遍的现象还是只是一个特例呢?

  为了解开这个谜,该团队花了几个月的时间监测了FRB121102的周期性信号。他们使用了世界上最大的两台射电望远镜,位于波多黎各的阿雷西博望远镜和位于西弗吉尼亚的绿岸望远镜。

  FRB121102的周期性信号并不是规律性的变化,相反,它的信号断断续续,到目前为止还不能够做到精准的预测。这个团队最终捕捉并分析了16次暴发。每次探测到的暴发持续时间,从9毫秒到30毫秒不等,表明射电源直径可能有10千米,而这恰好是一个典型的中子星直径尺度。

  除了关注射电暴的持续时间和色散程度,研究人员也测量了它的偏振特性,也就是射电暴发出的电磁波在垂直于传播方向上的振动方向,例如是上下还是左右。当偏振光经过强磁场和带电粒子时,它的偏振方向会随着传播螺旋转动,带电粒子越多或者磁场强度越大偏振方向旋转的越厉害。也正是这个效应使研究人员确认射电源处于强磁场中。

  险些错失的发现

  这个重复出现的射电暴处于极端的环境,并不是显而易见的。在10月份,也就是Seymour在阿雷西博望远镜探测到第一个信号的10个月之后,阿姆斯特丹大学的 Jason Hessels和他的学生 Daniele Michilli分析了观测数据,他们当时正在试图判断发射源附近是否存在强磁场,如果存在强磁场,它将改变电磁波的偏振,这种效应又称法拉第旋转。但他们并没有什么发现。

  但是Hessels有一个想法:“会不会是因为这个效应太强了,以至于我们反而忽略掉它了呢?”他们最开始搜寻的是一个很小的偏转,如果把查找的范围扩大一些呢?他让Michilli调高了要找的参数,“尝试了一些疯狂的数字,”Michilli说道。他们把参数放大了5倍,这是个看起来“很幼稚”的行为,因为在此之前他们从来没遇到过这么高的数值。

  当Michilli的笔记本显示了最新的数据图时,Hessels立即意识到电磁波一定是经过了很强的磁场。“当时我就震惊了,没想到在这个事件中看到如此之强的法拉第旋转效应。”他说道。这是在脉冲星和磁星探测过程中从未遇到的情况。他接着说到,“我当时很惭愧,因为我们在如此重要的数据面前坐了几个月,却没想到问题的突破口如此简单。”

  测量结果显示,FRB121102的偏振旋转效应非常大,所经过的电磁场与目前观测到的拥有最强电磁场的天体源不相上下。旋转的程度也在迅速地改变,在大约半年的周期内减少了大约10%。不管射电暴究竟由什么天体发出,它一定是由稠密的磁化等离子云(高温电离气体)包围着的高速致密天体。

  “等离子体透镜”放大亮度?

  “我们现在能弄明白极端的环境是如何和这个唯一观测到重复信号的FRB相联系的吗?”论文共同作者,阿姆斯特丹大学的Jason Hessels提出这样的疑问。“也许极端的环境能够放大射电暴亮度,就像是一种类似放大镜的结构。”这种结构可能是高密度等离子体聚集成的团块,不断地在围绕着FRB发射源的气体云中运动。因此,虽然电磁波是持续发射的,“等离子体透镜”可以间歇性地放大这个信号,从而制造出我们观测到的重复射电暴。如果没有这种放大的效应,重复观测到的射电暴将很难解释,因为信号是如此之强,以至于很多模型表明其来源要被彻底破坏,例如两个中子星的碰撞产生的能量才会导致这样的暴发。

  科学家首次对FRB121102的本质产生粗浅的认识可以追溯到2017年,当时人们认为这个奇异的FRB和距离地球30亿光年的矮星系有联系,在那里有很多恒星诞生。这样的矮星系富含原始气体,这样的气体自宇宙大爆炸以来就没发生过改变,更容易形成巨大且寿命短的恒星,而这种恒星最后会以十分壮丽且激烈的超新星爆发结束它的生命。爆炸留下的残骸可能是恒星质量黑洞,或者是普通的中子星,也可能是磁星。更重要的是,当天文学家扩大视野,观察FRB在矮星系中的位置时,他们在旁边发现了一个正发出更弱、更稳定的电磁波信号的等离子体云,它可能是磁星当初经历的超新星爆发或者是正在吞噬物质的黑洞产生的。但在当时,没有人知道FRB是否和这团等离子体云有确切的联系,而最新研究证实FRB就在这团云中。

  “去年对信号源的定位直接地改变了游戏规则,”来自康奈尔大学的合作作者Jim Cordes说到。“最新的结果更深入地研究了FRB和它所处的环境,我们把能够制造这些高能射电暴的环境称为“发动机”。Cordes和其他的合作作者表示,这个惊人的发动机最有可能是一颗年龄小于一个世纪的磁星,和我们银河系中所知道的已经形成了上千年的恒星相比,它可以说是相当年轻了。如此年轻的磁星应该是在高速旋转的,大概自转一周只需要一毫秒,但它的角动量也会迅速减少,因为它旋转的磁场会将大部分能量释放到包围着它的膨胀的等离子体壳中,这个外壳正是超新星爆发的遗骸。

  两种猜测

  “当磁星在旋转的时候,它的磁场也会改变。这个磁场如此之强以至于它会带着磁星铁一样的壳层一起转动,壳层随之破裂,产生星震和耀斑,向周围活跃的星云释放能量。”Cordes说道,“这是其中的一种可能。”另一种可能,是一颗磁星围绕着吞噬周围气体和尘埃的大质量黑洞旋转。在那种情形下,磁星会周期性的经过黑洞周围的吸积盘和粒子喷流,其强大的磁场会驱动那些物质高速运动。不管是哪一种情况,都会产生能够探测到重复信号的FRB。如果FRB121102的偏振幅度持续减弱(在半年内已经观测到10%的减弱),这将表明围绕着它的星云在慢慢膨胀和耗尽,更加支持第一种解释。如果在它周围有持续的磁场振荡,这将和在黑洞附近的解释更加符合。

  虽然这些结果对于揭开FRB121102的谜团很有帮助,科学家对于更大的一个疑团仍然无能为力:所有的FRB都是产生于同样的天体源吗?所有的FRB都会有重复信号吗?“这是一个“先天与后天”的问题,”Chatterjee说道,“是FRB都起源于这样极端的环境,还是极端的环境是后天产生的,在这样的环境下,强磁场和等离子体透镜才可以使它重复地发出信号?所有的可能性都是开放的。”

  很快就会有更多的答案,新的大视场射电望远镜很快就会投入使用,可以探测到更多的FRB信号,这样我们就可以清晰地了解它们的宇宙起源和重复机制了。其中一个很特别的项目名叫CHIME(Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment),这个项目会在今年晚些时候运行,到时天文学家每天会探测到几个到几十个FRB,给我们带来更加接近宇宙中的FRB谜团真实面目的希望。

  撰文 Lee Blings

  翻译 张克文

  审校 王妍琳

  参考资料:https://www.quantamagazine.org/astronomers-trace-radio-burst-to-extreme-cosmic-neighborhood-20180110/

责编:陶文冬