“中國天眼”全景。 新華社記者 歐東衢攝

技術人員對“中國天眼”的饋源艙進行維護保養。新華社記者 歐東衢攝

近日，中國科學院國家天文臺研究員李菂領導的國際團隊，通過500米口徑球面射電望遠鏡（“中國天眼”）的“多科學目標同時巡天”優先重大項目，發現了迄今為止唯一一例持續活躍的重復快速射電暴“FRB 20190520B”。

快速射電暴是宇宙中最明亮的射電爆發現象，在1毫秒的時間內釋放出太陽大約一整年才能輻射出的能量。李菂說：“這個發現揭示了活躍重復暴周邊的復雜環境有類似超亮超新星爆炸的特征，挑戰了對快速射電暴色散分析的傳統觀點，為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。”

該成果于北京時間2022年6月9日在國際學術期刊《自然》雜志發表。

“中國天眼”在幾年前就開展了快速射電暴的搜尋工作

快速射電暴的研究歷程并不長，2007年首次確定了它的存在，2016年探測到第一例重復爆發的快速射電暴，打破了人們對快速射電暴的傳統認知，目前該領域已成為天文學最新研究熱點之一。全球已公布了近500例快速射電暴，僅不到10例有活躍爆發（即在其窗口期內頻繁爆發）。此前并未發現存在持續活躍的重復快速射電暴。

作為世界上最大的單口徑射電望遠鏡，“中國天眼”在幾年前就開展了快速射電暴的搜尋工作。2020年，“多科學目標同時巡天”優先重大項目公布了基于調試數據發現的四例新的非重復快速射電暴，這幾例快速射電暴是“中國天眼”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。

2019年5月20日，一例重復快速射電暴被探測到，依據慣例，論文第一作者、國家天文臺青年學者牛晨輝用探測日期來命名快速射電暴，稱為“FRB 20190520B”。

牛晨輝說：“在最初被探測到時，這一快速射電暴就表現出活躍的跡象。我們在同一個波束掃過的10秒鐘內，看到了3次爆發，而20秒后，另外一個波束掃到相鄰位置時又探測到1次爆發。”

根據“中國天眼”漂移掃描中最開始發現的4次爆發的時間及望遠鏡指向，科研人員將爆發區域縮小到了5角分的范圍內，而這也為后續利用干涉陣列跟蹤提供了相對精確可靠的位置信息。

據了解，“多科學目標同時巡天”優先重大項目由李菂負責，快速射電暴的搜尋工作是該項目中的一個重要方向。國家天文臺研究員朱煒瑋負責的“中國天眼”另一優先重大項目“快速射電暴巡天”為“FRB 20190520B”的后隨觀測提供了重要支撐。

持續射電源的發現，為揭示這一快速射電暴的起源提供了重要線索

為了獲取這一快速射電暴更精確的位置，從而找出其宿主星系，科研團隊申請了美國甚大陣列的觀測，于2020年7月20日開始對“FRB 20190520B”的搜尋觀測。

牛晨輝說：“由于‘中國天眼’提供的位置相對精確以及‘FRB 20190520B’非常活躍，我們在第一次的美國甚大陣列觀測中就探測到了來自‘FRB 20190520B’的爆發，并將該源的位置限制在了亞角秒的范圍內。”

更令人興奮的是，他們在快速射電暴成協的位置，發現了一顆致密的持續射電源的存在，這是繼首例重復暴“FRB 20121102A”后，第二例探測到伴隨有致密持續射電源的快速射電暴。

然而，這個持續射電源的對應體究竟是什么還未知，可能是活動星系核，也可能是超新星爆炸遺跡的輻射。牛晨輝說：“不管怎樣，持續射電源的發現，為揭示這一快速射電暴的起源提供了重要線索。”

有了角秒級的定位，科研團隊通過搜尋存檔的光學望遠鏡數據，找到了這一快速射電暴的宿主星系，并馬上組織了對宿主星系的光學后隨觀測。通過美國帕洛瑪200英寸望遠鏡和凱克望遠鏡，他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，距離地球33億光年。

“中國天眼”的“多科學目標同時巡天”優先重大項目迄今已經發現至少6例新快速射電暴

此次“中國天眼”發現的首例持續活躍重復快速射電暴與美國阿雷西博望遠鏡2016年發現的首例重復暴“FRB 20121102A”非常相似。“FRB 20121102A”是人類發現的第一個快速射電暴重復暴和第一個被定位的快速射電暴，也是此前唯一被確認有致密射電源對應體的快速射電暴。

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李菂說：“二者都極為活躍，都擁有復雜的電磁環境，而‘FRB 20190520B’各方面的特征都更為極端。例如，‘FRB 20121102A’存在爆發活躍期，但是‘FRB 20190520B’從未停止爆發，目前‘中國天眼’已經探測到了后者幾百次爆發。”

本研究發現的初步結果公布后，引起了國際天文界的廣泛關注，這一重要發現已經催生數篇創新模型文章，例如散射時標模型、超新星爆炸解釋等。

綜合“中國天眼”的近期觀測數據，“FRB 20121102A”和“FRB 20190520B”很可能處在快速射電暴初生階段。

李菂說：“‘中國天眼’的持續觀測，特別是執行‘快速射電暴巡天’優先重大項目，有望建立全新的快速射電暴演化圖景。”

快速射電暴領域創始人鄧肯·洛里默對此評價說：“基于‘FRB 20190520B’這些特征及其持續射電源的存在，我認為快速射電暴可能有不同的分類。隨著快速射電暴樣本的持續增長，預計未來幾年內，我們能夠撥開快速射電暴神秘的面紗。”

據悉，“中國天眼”的“多科學目標同時巡天”優先重大項目迄今已經發現至少6例新快速射電暴，正在為揭示宇宙中這一神秘現象的機制、推進天文學這一全新領域的研究做出獨特的貢獻。

延伸閱讀

“中國天眼”正式驗收至今已兩年多，運行效率和質量不斷提高，年觀測時長超過5300小時，并取得了一批重要科研成果。

除了在發現快速射電暴方面的成果，我國科學家還利用“中國天眼”，為解決恒星形成三大經典問題之一的“磁通量問題”提供了重要的觀測證據。

脈沖星能夠發射出高度周期性的脈沖，周期在毫秒到幾十秒之間。被稱為“毫秒脈沖星”的短周期脈沖星，其周期的長期穩定度可以與地球上最好的原子鐘相媲美。因此，發現脈沖星是國際大型射電望遠鏡觀測的主要科學目標之一。截至目前，“中國天眼”共發現約500顆脈沖星，成為自運行以來世界上發現脈沖星效率最高的設備。

隨著性能的提升，“中國天眼”的科學潛力還將進一步顯現。未來，“中國天眼”還將搜尋發現更多的脈沖星，希望能看到更遙遠的銀河系外的脈沖星，同時繼續巡視宇宙中的中性氫，幫助科學家研究各尺度宇宙，以探索宇宙起源和演化等重要科學問題。

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