神秘宇宙快速射電暴到底來自何處？磁星可能要為此事負(fù)責(zé)

騰訊太空 文/ 王維揚(yáng) 中國(guó)國(guó)家天文臺(tái)

近日，一顆活躍的磁星SGR 1935+2154吸引了天文學(xué)者的目光，全世界多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡對(duì)它進(jìn)行了多波段的觀測(cè)。2020年4月28日，加拿大氫強(qiáng)度測(cè)繪實(shí)驗(yàn)（CHIME）與美國(guó)的暫現(xiàn)射電天體輻射搜尋（STARE2）探測(cè)到了來自這顆磁星類似于快速射電暴（FRB）的射電暴發(fā)，同時(shí)，多臺(tái)X射線空間望遠(yuǎn)鏡也探測(cè)到了相關(guān)對(duì)映體，這一系列重大發(fā)現(xiàn)或?qū)χ窮RB的物理起源。

何謂磁星？

銀河系深處，往往潛伏著一些兇猛的“野獸”，磁星就是其中之一。顧名思義，磁星是一類磁場(chǎng)極強(qiáng)的中子星，這一概念于1992年由C.Thompson及R.Duncan首先提出。普通脈沖星表面的磁場(chǎng)約為10的12次方高斯，相當(dāng)于地球?qū)嶒?yàn)室制造最強(qiáng)磁場(chǎng)的一百萬倍，而磁星的磁場(chǎng)比中子星還要強(qiáng)100倍甚至更高。這些“野獸”的磁層中暗藏著巨大的能量，時(shí)不時(shí)地就會(huì)釋放強(qiáng)大的X射線甚至軟伽馬射線暴，似乎在警示人們不要靠近它們。

理論推算，磁星的年齡在幾百到幾十萬年之間，它們就像脈沖星家族中一群年輕力壯的小伙子，渾身充滿使不完的能量。在目前已知的脈沖星有2000多顆，只有30左右是磁星，而能夠發(fā)出射電輻射的磁星卻只有6個(gè)。特別的是，磁星的射電脈沖往往伴隨著X射線暴發(fā)的產(chǎn)生。頻繁地輻射X射線以及軟伽馬射線暴是活躍的特征。根據(jù)磁星的理論模型，當(dāng)磁星發(fā)生星震時(shí)，殼層的活動(dòng)使外磁層發(fā)生扭曲（見圖1），并釋放強(qiáng)大到難以想象的能量來支持這些高能輻射。

圖1.左圖為Thompson提出的扭曲磁層模型；右圖為廣州塔。廣州塔結(jié)構(gòu)可以形象地描述扭曲磁層模型的磁力線。

銀河系的磁星類FRB事件

快速射電暴（Fast Radio Bursts,FRB）是一種來自銀河系外的神秘現(xiàn)象，它們的持續(xù)時(shí)間大約為幾個(gè)毫秒，瞬時(shí)光度卻能達(dá)到太陽(yáng)的幾百萬倍甚至更高。自2007年FRB被發(fā)現(xiàn)以來，它們的起源仍是個(gè)未知之迷?？茖W(xué)家們提出災(zāi)難性事件，如雙致密天體（黑洞，中子星，白矮星）并合，超新星爆發(fā)等作為FRB的起源。然而，重復(fù)暴的發(fā)現(xiàn)使人們意識(shí)到簡(jiǎn)單的災(zāi)難性事件是不夠的。致密的高速旋轉(zhuǎn)的中子星，特別是具有強(qiáng)磁場(chǎng)的磁星，隨即成為強(qiáng)有力的候選者，近些年圍繞中子星產(chǎn)生FRB的研究也如火如荼地進(jìn)行著。

一顆名為SGR 1935+2154的磁星在今年4月初進(jìn)入了活躍期，吸引了全世界無數(shù)射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行跟蹤觀測(cè)。4月28日這天，加拿大的氫強(qiáng)度測(cè)繪實(shí)驗(yàn)（CHIME）以及美國(guó)的暫現(xiàn)射電天體輻射搜尋（STARE2）探測(cè)到了來自這個(gè)磁星的毫秒量級(jí)寬度的射電輻射，其特征結(jié)構(gòu)與FRB極為相似（見下圖2）。這為揭示FRB的起源，邁進(jìn)了歷史性的一步！同時(shí)，多臺(tái)X射線空間望遠(yuǎn)鏡，如Insight-HXMT、INTEGRAL、Konus-wind等（見下圖3），都在同一時(shí)間段發(fā)現(xiàn)了這個(gè)射電爆發(fā)的高能對(duì)映體。X射線波段同樣展現(xiàn)為雙峰結(jié)構(gòu)，其間隔時(shí)間與射電幾乎相同為30毫秒左右。隨后，中國(guó)天眼望遠(yuǎn)鏡（FAST）也進(jìn)行了跟蹤觀測(cè)，沒有在未來幾天發(fā)現(xiàn)明亮的射電爆發(fā)，這表明磁星的類FRB射電輻射可能只是一些偶然發(fā)生的小概率事件。

重復(fù)的FRB中經(jīng)常可以發(fā)現(xiàn)一些奇怪的子脈沖結(jié)構(gòu)，這些子脈沖往往具有不同的中心頻率且在不同時(shí)刻抵達(dá)我們的探測(cè)器，看上去就好像一個(gè)單脈沖隨著時(shí)間的演化從高（低）頻漂移到低（高）頻。而這樣特殊的結(jié)構(gòu)首次在磁星的射電爆發(fā)中被發(fā)現(xiàn)。這種頻率的漂移現(xiàn)象，很可能來自于中子星磁層內(nèi)零星的火花放電過程，不同位置的曲率輻射具有不同的頻率，抵達(dá)探測(cè)器的時(shí)間也就不同。

圖2.左圖為FRB 180916.J0158+65某個(gè)事件的時(shí)間-頻率結(jié)構(gòu)（arXiv:2004.02862）；右圖為4月28日CHIME望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)SGR 1935+2154的時(shí)間-頻率特征（arXiv:2005.10324）。

盡管這個(gè)不尋常的磁星射電暴具有FRB類似的時(shí)間-頻率結(jié)構(gòu)，然而它的光度比目前最弱的FRB依然低了大約100倍。如果磁星真的能夠支持FRB的輻射，它需要某種極其劇烈的能量釋放過程。一種可能的解釋是磁星依靠火花放電在磁層中產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)，正、負(fù)電子在磁層中加速電場(chǎng)分離并沿著磁力線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生曲率輻射；另一種方式是磁星通過耀發(fā)產(chǎn)生激波與磁星風(fēng)云中的等離子體碰撞，從而產(chǎn)生脈澤。

總之，我們距離揭秘FRB的真相更近了一步，F(xiàn)RB究竟來自于何種輻射機(jī)制，仍需科學(xué)工作者們砥礪前行，不斷探索。我們看到，中國(guó)的兩臺(tái)大型天文設(shè)備Insight-HXMT以及FAST在本次觀測(cè)中發(fā)揮了重要作用，標(biāo)志著中國(guó)在天文前沿課題研究中擁有強(qiáng)大實(shí)力。我們期待，不久的將來，F(xiàn)RB神秘的面紗終被揭開，也期待更多更有意思的天文發(fā)現(xiàn)。（編輯：?jiǎn)梯x）