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2018-7-20

FRB 121102的超高频段复发

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 9:43 pm

频繁发作的快速射电暴FRB 121102应该算得上近些年来天体物理学家的重点关注对象了。除了针对复发现象的理论解释,历次复发本身也是饶有兴味的话题,从借助复发为暴源精确定位,到考究其发生率的变化以及两次爆发的间隔,不一而足。近几个月来,又有研究者陆续报告了在4-8 GHz的超高频(Super-High Frequency)段对FRB 121102的后续探测结果,说明了远较预期更加复杂的快速射电暴辐射行为。

作出3 GHz以上超高频探测的是最早发现FRB 121102的阿雷西博望远镜,还有两架百米级全可动式望远镜——德国的埃菲尔斯伯格望远镜和美国西弗吉尼亚州的绿堤望远镜。其中前两者的观测都是在5 GHz以下完成的,绿堤则是第一次在5.2 GHz以上的频段发现了FRB的身影。

从流量方面看,三架望远镜看到的超高频复发大抵与较低频率的同类事件无异,峰值在几十到数百央斯基不等。但其脉冲宽度明显偏窄——大多在1毫秒以下,并没有超过2毫秒的样本;作为对比,FRB 121102的L波段复发往往能持续3、4毫秒甚至更长。这一现象可能与色散等致宽效应在高频较不明显有关。

埃菲尔斯伯格望远镜2016年在4.85 GHz附近频段探测到的FRB 121102复发事件示例。(图片来源:Spitler et al. 2018

此外,很多超高频复发都表现出了类似于FRB 170827的精细频谱和时间结构,其脉冲也并不能用简单的高斯函数描述。FRB 121102的超高频谱型也非光滑的简单幂律谱:先前的低频联测已经发现了形态类似于“频率岛”的辐射分布,比如1.4 GHz附近似乎表现出了一个宽约2 GHz的高峰;而在5GHz以上,平均来看,历次复发在6和7.2 GHz附近都存在辐射峰,而在两峰之间则存在一个低谷。

FRB 121102的超高频辐射谱,图中彩色圆点表示绿堤望远镜探测到的各次复发期间的频谱分布,蓝色曲线表示平均谱形。(图片来源:Gajjar et al. 2018

但是放眼更宽的频段,从1 GHz到8 GHz,FRB 121102的总体频谱又表现得比较平坦,并不像河内普通脉冲星辐射那样具有极陡的谱指数,这在一定程度上表明,复发暴应该不像某些流行理论所认为的那样源于脉冲星的巨脉冲。相反,某些磁星的平坦谱形倒是与这个暴有类似之处,二者至少应该有着共同的辐射机制,强磁场在其中会扮演重要角色。只是不知道这样的特征对于非复发FRB是否适用。

不过FRB 121102的这些高频复发,意义并不局限于辐射谱本身。除了有关辐射机制暗示之外,阿雷西博与绿堤的探测都包含了法拉第旋转测量,这同样能够用于推测磁场信息。总的来说,FRB 121102的旋转量是已知其他FRB的数百倍以上,高达每立方米105弧度,远远高于银河系磁场的贡献。这意味着暴周必然存在一个致密的强磁化等离子体环境,而且这样的环境极可能与暴源成协。不过这两架望远镜相差7个月、频率也有所不同的结果却彼此存在10%的差异,从统计学的角度来看已然不能忽略,说明暴周磁化条件在1年的时间里就可以出现明显的改变。

FRB 121102的高频复发在色散-旋转量平面上的分布,其色散的不确定性主要源于未知的宿主星系贡献。作为对比,图中还标出了一系列磁星(红色圆点)、普通脉冲星(黑色圆点)以及其他FRB(绿色三角形)的位置。银心附近的脉冲星河磁星还额外标住了名称。从上图可知,哪怕在银河系中心这样的极端环境中,脉冲星的旋转量也达不到FRB 121102的水平;而这个复发暴同其他FRB的旋转量有别,或许也是二者源于不同过程的证据之一。(图片来源:Michilli et al. 2018

磁星相关的理论也能在一定程度上解释FRB 121102的旋转量。比如假设存在一颗身居超新星遗迹中心的年轻强磁场中子星,它吹出的脉冲星风环境完全可以兼容根据爆发观测参量得出的限制。而旋转量的快速变化可以归因于等离子体纤维(在蟹状星云中就存在类似的构造)。

与低频复发一样,FRB 121102在超高频的发作率也相当不确定,并不符合经典的泊松分布。埃菲尔斯伯格和绿堤望远镜都还证明,复发事件的探测率在短至小时级的时标上也会发生明显改变,可能前以小时还能观测到20余次,而在接下来的数小时里却是一无所获,其中的成团性非常明显,但现在也不清楚这究竟是爆发的本征特性,还是传播过程中的闪烁所致。

结合这些高频观测,尤其是旋转量的测量,FRB 121102与其他快速射电暴本质迥异的可能性进一步加大,但实情究竟如何却也还不好下定论。在不久的将来,随着研究的进一步深入,这个古怪的复发暴很可能会显露出更多的花样,不知伴随而来的又是有关这类现象怎样的线索。

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