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2018-3-16

FRB 170827的微观结构

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 7:44 pm

自2016年完成改造,并在去年3月公布自家第一批快速射电暴的发现之后,澳大利亚悉尼大学属下的UTMOST干涉仪已经成为了快速射电暴研究领域一股不容忽视的力量,目前已经有5个新的FRB入账,其中更不乏各项指标的创记录者。这次要说的FRB 170827则是UTMOST对快速射电暴第一次近乎实时的探测,爆发本身因频谱和光变所表现出的微观精细结构而格外引人注目。

FRB 170827的脉冲轮廓图与扫频图。(图片来源:Farah et al. 2018

与刚刚改造完成时的UTMOST尚可调节俯仰不同,自去年夏天以来,UTMOST只被用于子午观测,视场直指天顶。这是因为这架颇有些年头的天线的机械部件已经遭受了不可避免的老化,转向机构不再可靠;此外任何望远镜都是天顶角越小,灵敏度就越高。通过牺牲一部分可观测视场,UTMOST的灵敏度提升了大约3倍,同时系统稳定性也大为改进。

让FRB 170827的发现变为可能的实时处理系统以基于GPU的单脉冲搜索程序HEIMDALL为核心,又添加了利用机器学习技术筛选真实信号的部分——UTMOST以835 MHz为中心频率的观测频带与部分移动电话业务重合,HEIMDALL找到的绝大多数脉冲实为通信干扰。最终由机器学习筛出的候选体送交人工判断,其数量大约在每天10个左右。这次从采集观测数据到FRB的鉴别,耗时还不到24秒。利用实时探测的机会,帕克斯、ASKAP以及SkyMapper光学望远镜对FRB 170827进行了后续观测,结果并无可靠的对应体发现。

要说FRB 170827最突出的特征,莫过于“短”、“亮”与“近”三个字。这个暴的持续时间只有400毫秒,以快速射电暴的标准来看也是够短;其峰值流量不低于60央斯基,不可谓不明亮;而它的色散量只有176.8秒差距每立方厘米,由此推测出的红移不会超过0.12,与其他快速射电暴色散动辄数百相比,简直是破天荒的近。又因为这次UTMOST南北宽、东西窄的定位误差框与小麦哲伦云相交,而小麦云中脉冲星的典型色散量也是一两百,为了考察这个暴来自银河系伴星系的可能性,研究者还专门偏轴观测了船帆脉冲星的单脉冲事件作对比。鉴于FRB 170827的探测信噪比远不如邻近明亮脉冲星的单脉冲,更且缺乏相伴的暗弱脉冲,所以它起源于小麦云的概率并不大。

不同天体的色散分布,图中横轴表示银纬,纵轴表示色散量。河内脉冲星、小麦哲伦云脉冲星、大麦哲伦云脉冲星以及FRB分别用黑色三角、黄色方块、绿色菱形以及蓝色圆圈表示,红色圆点标出了FRB 170827的位置。(图片来源:Farah et al. 2018

FRB 170827更有趣之处是其频谱调制现象。本文第一张插图的下半部分展示了这个暴的扫频图(动态频谱图),其中明显可见斑块状结构,不同频率的辐射亮度明显不同,最明亮的部分出现在841到843 MHz之间,此外还有大量间距上百kHz的条纹。平心而论,类似这样的结构并不是该暴的独有特征,其他FRB在各频段的亮度也非平滑变化。这种辐射流量相对频率的起伏是来自爆发的辐射在传播过程中穿过湍动的不均匀色散介质(主要位于星系内部)时发生的星际闪烁,带有介质特性的信息;如果进一步结合偏振观测,还能用于勾勒沿途磁场的情况。

FRB 150807的动态频谱图,因为这个暴拥有偏振观测信息,其偏振特性随频率的变化曾被用于限制FRB与地球之间的磁场强度——与银河磁场差异不大。(图片来源:Ravi et al. 2016

不过UTMOST这次并没有获取到FRB 170827的偏振信息,于是研究者只能籍由动态频谱本身探讨亮区的起源。单个时间点频谱的自相关函数以及脉冲两侧频谱的互相关函数形态彼此一致,且均为左右对称,这说明了整个爆发期间射电脉冲所经历的闪烁模式类似,与星际闪烁模型的要求相符。但传统的河内星际介质模型不足以解释观测所见的窄带条纹。研究者引入了一个双区模型,认为在银河系之外(可能位于靠近暴源的地方,或者爆发的宿主星系和银河系之间)还存在第二道散射屏,其尺度相对于河内屏来说近似为点源。

FRB 170827的时间精细度也是极高。首先,它具有三个主要的辐射峰,最短的一个只持续了30微秒;整个事件还存在时间调制现象,流量在极短的时间内就可能出现剧变。根据其光变曲线的形态,一个为时数微秒的散射时标浮出了水面,这个特征与前述间距上百kHz的频谱调制是一致的,也可以归结为河外散射屏的存在。

但像FRB 170827这样,利用光变或频谱特性中的精细结构来勾勒沿途的星际/星系际介质,着实不是一件容易实现的事情。早些时候,同为低色散暴且带有线偏振特性的FRB 150807表现出了类似的微观特征,也曾被用于星际介质结构的探索。但对于拥有较大色散量的其他快速射电暴来说,色散会抹平太多的结构,让太多细节不再为人可见,这也是大多数FRB只呈现简单单峰光变的原因之一。

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