Nat:1652次快速射电暴,中国天眼打破观测纪录,2月超10年 温

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1652次，中国天眼打破观测纪录，2个月成果超越过去10年

环球科学

2021/10/18

论文
论文标题：A bimodal burst energy distribution of a repeating fast radio burst source
作者：Li, D., Wang, P., Zhu, W. W., Zhang, B., Zhang, X. X., Duan, R., Zhang, Y. K., Feng, Y., Tang, N. Y., Chatterjee, S., Cordes, J. M., Cruces, M., Dai, S., Gajjar, V., Hobbs, G., Jin, C., Kramer, M., Lorimer, D. R., Miao, C. C., Niu, C. H., Niu, J. R., Pan, Z. C., Qian, L., Spitler, L., Werthimer, D., Zhang, G. Q., Wang, F. Y., Xie, X. Y., Yue, Y. L., Zhang, L., Zhi, Q. J., Zhu, Y.
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期刊：Nature
发表时间：2021/10/13
数字识别码：10.1038/s41586-021-03878-5
摘要：The event rate, energy distribution and time-domain behaviour of repeating fast radio bursts (FRBs) contain essential information regarding their physical nature and central engine, which are as yet unknown1,2. As the first precisely localized source, FRB 121102 (refs. 3,4,5) has been extensively observed and shows non-Poisson clustering of bursts over time and a power-law energy distribution6,7,8. However, the extent of the energy distribution towards the fainter end was not known. Here we report the detection of 1,652 independent bursts with a peak burst rate of 122 h−1, in 59.5 hours spanning 47 days. A peak in the isotropic equivalent energy distribution is found to be approximately 4.8 × 1037 erg at 1.25 GHz, below which the detection of bursts is suppressed. The burst energy distribution is bimodal, and well characterized by a combination of a log-normal function and a generalized Cauchy function. The large number of bursts in hour-long spans allows sensitive periodicity searches between 1 ms and 1,000 s. The non-detection of any periodicity or quasi-periodicity poses challenges for models involving a single rotating compact object. The high burst rate also implies that FRBs must be generated with a high radiative efficiency, disfavouring emission mechanisms with large energy requirements or contrived triggering conditions.
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所属学科：
天文学


图片来源：科技日报


快速射电暴（fast radio burst，FRB）是宇宙中最大的谜团之一。FRB在2007年首次被发现，14年来，无数天文学家将目光转向FRB，希望以它为线索揭开更多宇宙奥秘。而昨天在《自然》杂志发表的一篇论文中，中国科学家领衔的国际研究团队用FAST发现了1652次快速射电暴，超过了以往所有文献记载的数量总和。FAST此次观测成果，或许能改变天文学家探索FRB的方式。


编译 | 王昱

审校 | 石云雷



2007年，FRB首次被发现时，天文学家对它可能是什么一无所知。从未有任何理论预言过快速射电暴（fast radio burst，FRB）的存在。这种来自宇宙深处的暴发可以在几毫秒内闪现又消失，每一例FRB释放的能量都相当于太阳一年释放出的能量之和。每天都会有多个FRB从各个方向向地球奔来，但它们大多都是单独发生的，难以捕捉。



天文学家争先恐后地提出各种想法。从旋转中子星的巨型磁暴发，到宇宙大爆炸遗留的宇宙弦，甚至还有正在进行星际跳跃的外星飞船，解释FRB的理论五花八门。在FAST和其他搜寻FRB的望远镜开始运行之前，理论家之间甚至一度流传着一个笑话——解释FRB的理论的数量已经超过了已知FRB事件本身的数量。



昨天，一个国际研究团队在《自然》杂志上报告了他们用500米球面射电望远镜（FAST，又称中国天眼）探测到了一组有史以来最大的FRB数据集。根据论文，他们共探测了1652次FRB，超过了以往所有文献记载次数的总和。所有这些短暂而明亮的暴发都来自30亿光年外一个矮星系中的一个未知的FRB源。除了显著增加目前已知的FRB总数以外，此次观测到的FRB能量分布范围也非常大，同时具有一定的统计特征，为FRB迷一般的起源提供了新的线索。





FRB 121102信号被FAST捕捉到的艺术想象图，其中波形形状来自真实的FRB 121102信号。图片来源：国家天文台


“这项研究非常彻底，具有此前FRB研究中从未有过的细节，”荷兰阿姆斯特丹大学和加拿大麦吉尔大学的天体物理学家埃米莉·彼得罗夫（Emily Petroff）说，她没有参与这项研究，“在不久的将来，深入分析单个FRB源将成为FRB研究中的重中之重。”



一连串的暴发



直到2016年，天文学家才发现第一个重复的FRB源，并将其命名为FRB 121102。统计规律表明，不断增长的FRB记录中大约有20%会重复出现（同一个位置至少出现了2次FRB）。研究人员对这些重复的FRB源跟踪观测，能获得更多细节。FRB 121102则是迄今为止被研究得最透彻的FRB源，它位于一个年轻恒星正在形成的星系。FRB 121102的行为很难预测，其行为通常被描述为具有“季节性”。在FAST之前，科学家曾用其他望远镜从这个源发现了约350个FRB。



论文第一作者兼FAST首席科学家李菂表示，由于FAST前所未有的灵敏度，它能捕捉到其他望远镜无法观测的低能量脉冲。当该团队在FAST调试阶段进行观测测试时，他们发现FRB 121102正处在活跃期，时常发出明亮的脉冲。所以，他们决定每天抽出一小时来检测它。结果证明，暴发比预期的密集得多。有时，大约每30秒就有一次FRB发生。从2019年8月29日到10月29日，他们用59.5小时的观测时间共检测到了1652次FRB。



本次发现的1652个FRB分为两种：一种能量较高、一种能量较低。首次FRB的发现人之一、该论文的合著者、美国西弗吉尼亚大学的天文学家邓肯·洛里默（Duncan Lorimer）表示，这可能是由两种不同的物理机制导致的。





FRB 121102信号的各向同性等效爆炸能量分布图。图片来源：国家天文台



然而，目前尚不清楚这些机制是什么。即便如此，因为这些FRB释放出的能量如此之高，总能量达到了一颗磁陀星（一种磁场极强的中子星）可用能量的3.8%，并且这个源并没有表现出任何较短的周期性（这表明源在旋转或在固定的轨道上运转），李菂认为，他的团队已经基本排除了FRB 121102来自一个孤立致密天体——例如旋转中子星或者一个黑洞——的可能性。



但其他人却对这一结论充满顾虑。比如，中国科学技术大学的理论物理学家戴子高表示，FRB 121102仍然可能是一颗磁陀星，这是一种具有极强表面磁场的特殊中子星。当磁陀星的外层在星体磁场突然变化的压力下发生改变时，它就会发生“星震”。就像由板块运动或小行星撞击都能引起的地球上的地震一样，“例如，当磁陀星时常被周围的小行星撞击时，它就可能发生多次星震——这也是（FRB 121102）可能存在的一个场景。”戴子高解释说。



FRB快车道



“FAST非常适合用于这样的研究——对重复源进行深入分析，”洛里默说到。虽然并非为寻找FRB设计，但FAST极高的灵敏度能让它检测到其他望远镜错过的现象。也正因如此，对FRB研究而言，FAST最好和其他望远镜配合使用，比如加拿大的CHIME望远镜，其具有广阔的视野，它非常善于发现从我们头顶各个方向射来的FRB。



FAST在2016年落成，超过去年坍塌的阿雷西沃望远镜成为世界上最大的球面射电望远镜。今年早些时候，FAST宣布对全球科学界开放，征集来自全球科学家的观测申请。





图中波形形状来自真实的FRB 121102数据，图片风格模仿王希孟的《千里江山图》。图片来源：国家天文台


彼得罗夫是CHIME/FRB合作组成员，她表示她的团队现在已经成功申请到了FAST的观测时间。根据李菂的说法，获批准的国际项目已经开始观测了。由于疫情，外国科学家仍只能远程操作。



激进的未来



李菂表示，FAST将会继续监测FRB 121102，同时调查其他重复源。他还透露，他的团队正在研究一个尚未公开的源，它的行为比FRB 121102“更激进”。戴子高表示，研究普通的和“激进”的FRB系统，对于理解对FRB的行为及其本质至关重要。他和其他专家说，要取得进一步的突破，需要全球多个望远镜在不同波段共同努力——也包括对中微子和引力波的观测。



洛里默表示，尽管我们已经观测到了很多FRB的现象，但其理论仍然很不成熟。下一步是尽可能多地确定下这些源所在的星系，就像李菂团队一样尽可能多地对单个系统进行深度分析。通过大量的努力，或许还需要发现更多激烈重复源和激进的独立FRB，科学家们可能很快就能解开FRB的形成之谜，并为研究这种未充斥在整个宇宙中的高能、短期天体物理现象，打开一扇崭新的窗口。



参考链接：

Li, D., Wang, P., Zhu, W.W. et al. A bimodal burst energy distribution of a repeating fast radio burst source. Nature 598, 267–271 (2021).https://doi.org/10.1038/s41586-021-03878-5



https://www.scientificamerican.c ... ious-cosmic-source/

http://english.nao.cas.cn/focus/202110/t20211014_284773.html


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文章标签
快速射电暴
500米球面射电望远镜
FRB 121102
低能量脉冲

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03878-5

https://www.linkresearcher.com/t ... 8-9e26-b5d567ab6d38



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