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2017-1-5

复发快速射电暴FRB 121102的精确定位

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 7:43 pm

大约在一个月之前,快速射电暴的发现者、美国西弗吉尼亚大学的天文学教授Duncan Lorimer在一场报告的最后透露,新墨西哥州的甚大天线阵(VLA)已经探测到了一次此类爆发,并实现了精确定位,这些结果将在2017年新年伊始的美国天文学会冬季会议期间公开。果然今天刚打开arXiv.org,就看到了刚刚在《自然》杂志正式发表的论文,还有欧洲VLBI网的补充观测以及宿主星系信息,而相关的发现已经在昨天的会议上发布。

艺术家笔下为快速射电暴精确定位的VLA阵列。(图片提供:Danielle Futselaar

就个人而言略略有些意外的是,这次的主角爆发并非新面孔,居然还是差不多一年之前因为重复爆发而名声大噪的那个FRB 121102。到现在为止,它仍旧是已知唯一一个能够反复发作的快速射电暴,而且后续活动频发至今,也称得上是近年天文界遭遇的奇事。

由康奈尔大学的Shami Chaterjee主导的VLA观测选择这个目标其实本来就是有意为之。众所周知,当下快速射电暴研究的一大瓶颈就是单天线分辨率不足,无法进行有效定位。使用干涉阵提升分辨率自然是解决问题的不二之选,其渠道有两种,一是像去年年初E. F. Keane声称使用ATCA阵列捕获FRB 150418余辉那样,建立FRB预警网络,在单天线触发之后转向进行可能争议颇大的后续观测;二来就要利用干涉阵实时探测爆发本身了。考虑快速射电暴这种现象发生方位随机且持续时间短暂,盲目指向无异于大海捞针,Chaterjee等人将已知能够复发的FRB 121102作为VLA实时探测的目标,细想之下也不啻为明智之举。

在前年11月到去年9月总共为时83小时的观测期间,研究者使用VLA探测到了FRB 121102的9次爆发,它们全部发生在去年8月底到9月中旬之间。值得一提的是,这些观测所用的频段要比先前历次探测的1.4 GHz为高,达到了2.5到3.5 GHz,其中的一次更有阿雷西博望远镜在1.1到1.7 GHz波段上的同时探测(但另两次存在同时观测的暴并未表现出低频信号),这说明各次快速射电暴的辐射频段高低宽窄不等,有时可能相当宽。这些爆发的色散量与先前的探测相一致,而彼此强度差异很大,流量密度数十到数百毫央斯基不等;它们的平均坐标是赤经5时31分58.70秒,赤纬+33度8分52.5秒,精度达到了0.1角秒。作为比较,阿雷西博去年给出的FRB 121102定位中心是赤经05时31分58秒,赤纬+33度08分04秒,但后一组数据存在宽3角分多的误差,这是望远镜波束宽度所决定的。综合各个参数,VLA看到的这些事件确实与FRB 121102系出同门。

VLA看到的FRB 121102重复爆发,左上为消色散后的射电“脏图”,图中的圆圈表示阿雷西博的定位误差框;左下为左上图的放大;右图是脉冲色散图。(图片来源:Chaterjee et al. 2017

不过VLA看到的不仅仅是FRB 121102在较高频段额外的9次爆发,还有一个距离暴源不足0.1角秒的连续谱持续源,其特征非热的辐射覆盖1到26 GHz的更宽频段。这个持续源光度较暗,平均流量密度不到200微央斯基,且在一日之内存在幅度大约10%的光变,对于射电弱源来说倒也不算离谱。由于它与FRB距离如此之近,不大可能是纯粹的巧合所致,只是二者的辐射并未表现出很好的成协性。但射电暴与持续源的真实间隔估测可能还不到40秒差距,这意味着它们很可能存在一些物理联系,应该不仅仅是同处一个星系之内那样简单。

随后荷兰的B. Marcote等人又利用阿雷西博天线与欧洲甚长基线干涉阵网络在1.7 GHz频段进行了更高精度的联合测量,找到了9月20日的4起FRB复发,而且还确认了持续源的存在,并将其定位改进到了毫角秒量级。他们还发现,在如此小的分辨率上,除了传播过程中的散射致宽之外,这个源仍旧没有表现出任何本征的空间结构。若持续源与FRB 121102的确相关,那么考虑快速射电暴毫秒级的持续时标,其源区尺度应该不足1000千米,在天文语境下可以称得上是小得惊人了。

欧洲VLBI网获取的FRB 121102疑似成协持续源的图像,其中黑色十字表示去年9月20日4起爆发的平均位置,红色十字代表其中最强的一次爆发发生的位置,灰色十字表示其他3次爆发的位置。(图片来源:Marcote et al. 2017

Chaterjee等人继续寻找FRB 121102的多波段对应体,最终在凯克望远镜2014年的数据以及双子望远镜新近获取的中找到了一丝踪迹——一个红光星等只有25等左右的暗淡天体。但它在斯皮策的红外数据、钱德拉和XMM-牛顿的X射线数据以及ALMA的毫米波数据中都没有显身,所以全波段能谱无论用超新星遗迹还是活动星系核都不能很好地拟合。

而加拿大麦吉尔大学的S. P. Tendulkar又领导了对FRB 121102所在天区的光学研究。Tendulkar等人搜索了去年10月底11月初斯隆巡天拍摄的图像,又使用北双子望远镜的多目标光谱仪进行了分光观测,证认出了一个红移0.193左右的产星星系,且光谱中的谱线成因源自恒星形成,而非星系核的活动。这个星系就是Chaterjee在存档数据中找到的暗淡天体真身,也应该是快速射电暴所在的宿主星系。它的整体特性类似于年轻的小质量极端发射线星系,考虑其缺乏红外和毫米波探测,H-α谱线也较弱,其中的产星速率应该并不高,每年只有0.23倍太阳质量左右,就算考虑消光修正后也不超过每年0.5倍太阳质量,比银河系还要低一些。但该星系规模更小,恒星质量只有太阳的数千万倍(而非银河系的千亿倍),所以能拥有如此产星率已然不错了。只是这样的矮星系往往含有大量气体物质,其总的重子质量一时还难以确定。

FRB 121102宿主星系的可见光图像。(图片提供:Gemini Observatory/AURA/NSF/NRC)

需要指出的是,0.193这个红移值要比单纯根据快速射电暴色散量给出的红移上限为小。根据现有的银盘和银晕模型,从FRB 121102的558秒差距每立方厘米上下的色散中扣除银河系贡献,并假设宿主星系内部的星际介质并未引发任何色散,由此得出的该暴红移值为0.32,甚至可能达到0.42。但就算如此,不到0.2的红移也属于宇宙学距离了,跟某些理论模型所说的河外近域宇宙差别较大。其他同类现象很可能也是情况类似,距离根据色散情况被大大高估,但并未严重到将银河近邻高估成数十亿光年以外的程度。

这次发现对快速射电暴的理论有何启示?首先,FRB的河内起源假说基本是被排除了,原因是如果河内天体爆发可以具备如此高的色散量,那么它必然处在电离氢区、超新星遗迹或脉冲星风云内,而这些区域都应该具备延展的射电辐射,甚至还有这次并未探测到的红外或强H-α辐射。又鉴于持续源的辐射谱与脉冲星不符,年轻矮星系的中子星数量也较为有限,单纯用中子星巨耀发来解释快速射电暴看上去也行不通了。

而如果FRB 121102与持续射电源真正成协(而不是位于同一个星系中的两个不相干天体),那么一些有趣的模型也要被考虑,比如低光度活动星系的间歇性增亮、带有喷流的黑洞系统、中子星靠近星系核心时发生的一些过程、年轻超新星遗迹与中子星的相互作用等。一条略怪异的线索是,持续的射电源距离宿主星系中心有大约0.2角秒,乍看用活动星系来解释有些牵强,但偏心星系核也并非不存在,只是这次根据X射线光度上限估算的黑洞质量甚至比星系中的恒星质量还要大,多少有些说不过去啊。

另外,同在今日上网的Lingam & Loeb (2016)更是放开了想象力,将快速射电暴归结为外星文明的太阳帆。但本人真心怀疑,这莫非是曾经主推FRB河内耀星起源说的Abraham Loeb的失意之作?此般万事皆援引外星救兵的做法偷懒且万能,窃以为不到万不得已且证据齐备之时,真的不该被提倡。

抛开扯淡的外星文明说不论,现在更多的快速射电暴宿主星系还需要时间的积累,确定其共性还有待时日;而受制于仪器灵敏度,其他同类现象是否能够复发也还是不确定的。与伽玛暴的当年不同,此番快速射电暴红移与宿主星系的发现并未平息起源模型之争,甚至今天发表的这几篇论文在近期会不会面临挑战都不得而知。未来能否通过进一步的数据积累,借助宿主星系或多波段对应体的性质来指明理论研究的方向?Chaterjee的团队已经准备使用哈勃空间望远镜深入观测FRB 121102所在天区了,更多的天文台也跃跃欲试,今后若干年内理应有好戏陆续上演。

末了说几句闲话。去年博士后出站前夕,前合作导师多次劝说本人不妨考虑今后以科普为业,并将科普工作的重要性上升到国家政策层面。最终这条建议当然被自己彻底无视,个中原因其实跟快速射电暴分不开。在专业圈子固然可以紧贴前沿,并有机会亲身参与其中的研究,但从去年到今年,在一系列FRB相关发现公布后,个人得到的多家媒体的回应却着实让人对天文科普的现状心寒以至绝望。毫不客气地说,以这些事情为代表的亲身经历用事实再三告诉了自己,至少在国内,至少在天文学领域,经过大众科技媒体精心又不懈的层层筛选和引导,一线研究进展,尤其是乍看之下并不惊天动地但实际意义重大的那些,已经没有太多的机会展现到普罗大众眼前了。像快速射电暴这种缺乏漂亮图片、概念或许有些抽象的新现象,各路媒体人无一不以影响刊物销量/网站访问量、预设读者群理解能力有限、不够轰动惹眼等理由,认为选题不宜,不能发表专题文章。于是只剩下了综合网站莫名其妙的外星人信号报道横行,某编辑“天文学近些年为何除了仪器没有其他进展”的恼人言论,以及“爱好者必知的XX条常识”一类的陈年冷饭反复翻炒,不知能否满足作为媒体目标的中小学生们的胃口,反正依稀记得本人当年做中小学生的时候还是蛮讨厌这种调调的。

也罢,在如今这个科普书刊谈及“成协”“较差自转”“巨洞”都嫌太过专业,一心放弃规范的学术名词但求通俗易懂的年代,谁还会指望能有人理解谈起快速射电暴就离不开的“色散”“波束”?不用提及《现代物理知识》这种半专业杂志,它们的受众规模有多大,想必大家心中也都清楚。而这持续几近一年的FRB科普遭遇,还只是自己碰到的诸多事例之一而已。意冷至此,只求关起门来,在这块园子自娱自乐就是了。任凭职业科普界洪水滔天,本人胆小,实在没有那种魄力抛开更有意思的东西去全身心投入其中啊!

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