天文学家确定神秘射电暴的源头

[ 录入者:Melipal | 时间:2016-03-06 17:49:41 | 作者:Melipal 译 | 来源:Sky & Telescope | 浏览:1253次 ]

原文标题:Astronomers Pinpoint Mysterious Radio Burst

作者:Shannon Hall   原文来自:SkyandTelescope.com   Posted: 2016. 2. 24

编译:Melipal   审校:Linq (编译版权所有,未经许可请勿转载。)

一种能量相当于太阳1亿倍的射电爆发最终被敲定起源于宇宙学距离上,这使得科学家可以去调查此类神秘爆发的起源。

一种发生在射电波段、能量大于太阳上亿倍的爆发每天会数千次地扫过地球。在不到一秒的时间里,爆发消失了,射电天空复归于令人生畏的宁静。天文学家花费了将近10年的时间来努力解释这种所谓快速射电暴(简称FRB)的起源。这些神秘的事件难以定位,而且它们往往会彻底逃过探测。不过这些爆发表现出了诱人的线索,说明它们可能会为科学界带来一些真正的新东西。

现在人们第一次在波长较短的射电波段观测到了一次FRB,这使得天文学家得以敲定它在宇宙中的确切位置,并开始猜测它可能的奇特来源。发表在2月25日《自然》杂志上的这些结果不仅为这种爆发神秘的起源带来了线索,还打开了一扇通向宇宙的新窗口。

澳大利亚望远镜致密阵由6架22米天线组成,位于悉尼西北方大约500千米外。(图片提供:Alex Cherney)

搜索开始

第一起此类超快超明亮的射电脉冲是在2007年发现的。当时来自西弗吉尼亚大学的邓肯·洛里默(Duncan Lorimer)正在分析来自澳大利亚64米帕克斯(Parkes)射电望远镜的数据。一场发生在2001年8月24日、持续5毫秒的极明亮爆发吸引了他的注意力。

在爆发发生的波段,存在一些意料之外的色散。这一事件的短波成分要比长波成分早几分之一秒抵达望远镜,这一效应只能是由穿过某类介质(如电离气体)的辐射产生的。时间延迟越长,观测者与辐射源之间的电子数量就越多——通常这意味着距离也越远。

这起现在称为“洛里默暴”的事件发出的辐射必然穿过了数十亿光年的星系际空间。它应该是非常短暂、极其明亮、可能还具有灾变性的事件(无论暴源是什么,它没有发生再次爆发)。但是什么东西可以激发如此极端的事件呢?

如最后一张“瀑布图”插图所示,FRB拥有特征性的扫频信号。(图片提供:David Kaplan / Evan Keane)

洛里默猜测,这可能代表了一类全新的天文源,先前从来没有被探测到,而天文学家应该还可以看到此类现象。但是帕克斯天线碟上方的天空宁静得让人沮丧。天文学家开始发现了数个埋藏在存档数据深处的FRB,不过有关这些爆发是否确实来自河外的争论接踵而来。也许我们有关银河系内电离气体分布的模型并不正确。抑或这些爆发可能是发生在易于耀发且被大量等离子体包裹的恒星上的,这些等离子体可以导致同样的时间延迟特征。

为了确定这一观点,天文学家需要确定快速射电暴在天空中的方位。而为了做到这一点,他们需要实时观测一场爆发。

确定快速射电暴的方位

因此在一点点经费的支持下,小组现在将帕克斯的所有数据传输到了一台位于澳大利亚墨尔本市斯温伯恩(Swinburne)大学的超级计算机中。在爆发开始后的30秒内,超级计算机联系了一系列其他的望远镜,将爆发的位置告知对方。这使得全世界的观测者都可以将望远镜转向FRB所在的方位,以图捕获爆发的余辉。

有若干次后续搜索是徒劳的。随后在2015年4月18日,“这一切豁然开朗”来自斯温伯恩科技大学的伊万·基恩(Evan Keane)说。斯温伯恩的超级计算机实时捕获了一起FRB。在几个小时之内,来自澳大利亚望远镜致密阵(由一系列22米天线组成)的观测者对帕克斯望远镜目击爆发的天区进行了搜索。它找到了一个缓慢衰减的射电信号,这是确实与FRB成协的余辉。

但是人们尚不清楚这两个信号源自何方。帕克斯可以将爆发的方位确定到15角分的范围内,这一数字相当于满月角直径的大约一半。但是在这样一个天区内,可以轻松找到数以百计的星系。望远镜阵将余辉的方位进一步确定到了大约1角秒的精度,这要比帕克斯的精度高900倍。然而小组最终还要借助夏威夷的8.2米昴星团望远镜指向余辉的所在天区。

一个椭圆星系的放大图,展示了帕克斯射电望远镜探测到了一起FRB脉冲。(图片提供:David Kaplan / Dawn Erb)

这起FRB来自一个距离我们大约60亿光年的椭圆星系。

这个星系很古老,早已度过了主要的产星阶段——这为此次FRB的起源提供了实用的线索。虽然现在FRB理论的数量多于发现的爆发数,但最具竞争力的理论可以被归为两类:年老恒星之间相对罕见的爆发性碰撞,还有较年轻恒星的周期性喷发。

星系年老这个事实说明,至少这次,FRB是由一起爆发性的碰撞产生的。基恩和洛里默都将赌注下给了螺旋靠近的双中子星。(如果你在2月跟踪了物理新闻,你可能会知道这一过程也会产生引力波信号。这一点不错,但位于60亿光年之外的这起事件引力波辐射过于微弱,无法使用LIGO探测到。)

通向宇宙的新窗口

虽然这起爆发并没有像洛里默预料的那样源自先前未知的天体物理事件,但他却兴奋于快速射电暴对探索宇宙可能的用途。

基恩说:“当射电信号穿过宇宙时,它们中间留下了宇宙特征的烙印。”模糊的射电波告诉了天文学家爆发通过的物质数量。现在有了宿主星系对应的距离,天文学家就可以计算出星系际介质中的电子密度,并更好地测量整个宇宙中物质的分布了。

当基恩与同事为这次单一的发现进行这些计算时,他们发现,所得的结果与当前的宇宙学模型完美吻合。基恩说:“我们对宇宙现实的理解更好了一些。”而如果在未来能够确定更多FRB的位置,天文学家就可以确定更多视线方向上的情况了,最终可以给出宇宙的3D模型。

作为研究FRB最长的人,洛里默认为,这一领域现在可以真正作为单独的研究领域起飞了。(在此之前它在搭乘脉冲星研究的便车。)他说:“云雾正在逐渐消散。我们还有很长的路要走——我们还没有走出丛林,但是这段时光是非常让人激动的。”

(全文完)

Tags:快速射电暴 红移

责任编辑:Melipal

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