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2016-2-29

敲定快速射电暴的起源?天知道……

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 1:41 pm

上周E. F. Keane等人在《自然》杂志发表论文,声称率先测定了快速射电暴的余辉、宿主星系及其红移,随即在圈内掀起热潮(于是今年这春节果然就不应该过嘛!),支持反对者皆有。如果这一测量可靠,那么这会为快速射电暴起源提供很好的线索,并为宇宙学和基础物理学研究提供绝佳的探针。但是倘或这是又一次乌龙的话……

要说测定FRB红移一事于本人也算不得意外,因为之前早已从多个渠道听到过内部消息称,澳大利亚Parkes天文台的团队可能已经测得了某个快速射电暴的余辉,相关结果支持宇宙学距离起源说,而且将不日发表于某知名刊物。但初听之下,本人对此半信半疑,毕竟就在不太久之前,FRB 140514得到了Parkes望远镜的实时观测,但多波段后续观测并没有在爆发过后几小时到74天发现任何成协现象;更近些时候,有线索表明FRB源于致密源区,将其色散完全归为星系际介质的影响可能不尽合理,也许它们只是起源于河外,而非宇宙学距离。再说,已知快速射电暴都是被单天线观测到的,这类仪器的定位精度是很大的问题,也正因为如此,FRB的宿主星系(假设它们确系河外起源)才迟迟得不到定位——在单天线半峰全宽达到十余角分(相当于满月或日面宽度的一半)的波束内,往往存在成千上万乃至更多的星系,想敲定某次特定爆发的来源,谈何容易。

闲话少叙,先说说Keane等人的工作本身,再说它靠谱与否的问题。这次的主角是FRB 150418,与FRB 140514一样,这起去年发生的FRB也得到了实时的后续观测。首先是2015年4月18日世界时凌晨4时半前后,正在从事SUPERB巡天的Parkes望远镜在1.4 GHz频段发现了这起持续0.8毫秒的脉冲式爆发,并敲定了该暴具备776.2秒差距每立方厘米的色散量(远高于对河内源的预期)和不会超过8.5%的线偏振度。

FRB 150418的光变曲线(右上)与15个频段的扫频图。(图片来源:Keane et al. 2016)

之后FRB的预警网络被触发,由6架22米射电天线组成的澳大利亚望远镜致密阵(ATCA)在2小时后开始在频率更高的5.5与7.5 GHz频段进行后续观测,随即辨认出了两个致密的变源。其中的一个源有先前的观测记载可查,另一个偏离Parkes望远镜波束中央不到2角分的新源则身份待定。这个源出现在了ACTA的两个观测频段上,有着幂律形式的辐射谱,在接下来6天的时间里亮度有所衰减,行为接近已知的短伽玛暴。不过印度的大型米波射电望远镜在稍晚些时候一无所获。

这个源在衰减后的宁静期行为类似于一个红移0.5左右的早型星系。结合甚大天线阵新近的巡天,Keane等人认为在ATCA对Parkes视场观测期间,这样一个变源不与FRB 150418成协的概率只有不到0.2%(置信水平99%),因此可以认为它是FRB的余辉,而余辉过后的宁静辐射则由这场爆发的宿主星系提供。

FRB 150418的后续观测光变曲线,可见ACTA在前6天内观测到的5.5 GHz和7.5 GHz流量增强。(图片来源:Keane et al. 2016)

由于ATCA结合了多架天线的能力,分辨率提升到了1角秒,其位置测量结果完全可以指导大型望远镜的观测。4月19日至20日,座落在夏威夷莫纳克亚山的8.2米昴星团望远镜对准了ATCA发现的变源,并找到了一个表面亮度可以用de Vaucouleurs定律拟合的天体,理应是一个椭圆星系,不过其亮度极低,r’波段的AB星等只有23.45等左右。结合帕洛玛天文台与WISE卫星的多波段测光数据,这个星系的红移应该处于0.48到0.56之间。需要注意的是,昴星团望远镜并未在可见光和近红外波段发现该星系存在光变行为,这说明这起快速射电暴并不具备可探测的光学余辉。

FRB 150418爆发天区的逐级放大图,从Parkes望远镜探测该暴使用4号波束到WISE的宽视场图,再到昴星团望远镜拍摄的特写。(图片来源:Keane et al. 2016)

为了最终敲定红移值,昴星团望远镜在去年11月初又对这个天体进行了光谱观测。结果表明,它的红移应该是0.492;同时凯克望远镜也证实了这一测量数据。这一红移值比单纯凭借色散的推测值略小(举例来说,FRB 110627的色散与FRB 150418接近,是723秒差距每立方厘米,但其由色散推出的红移是0.61),但偏差也还在合理范围之中,不存在质的区别。由此就为星系际介质分布,至少是爆发方向上的介质平均密度提供了线索。根据红移和色散所得的星系际物质密度符合WMAP的观测结果与ΛCDM模型,这样就为主流宇宙学理论提供了额外的佐证。

FRB 150418爆发天区内的候选宿主星系的光谱。(图片来源:Keane et al. 2016)

到这里为止,一切看上去都很美好:敲定FRB的来源,并由宿主为椭圆星系的事实认定这类现象(至少是FRB 150418这一次现象)应该是来自年老恒星的灾变性碰撞,而非伤筋不动骨的恒星重复喷发;同时射电余辉的行为也给出了暴源多普勒提升因子的区间,限定了爆发参数。此外这一发现还提供了优良范例,说明人们可以如何借助爆发式的FRB来探测宇宙中的物质分布。但是就在这时,半路杀出了一个程咬金——在Keane et al. (2016)发表的次日上网的Williams & Berger (2016)

Williams & Berger (2016)的出炉让形势急转直下,整个事情立即变得不太对劲。这篇程咬金文章的核心论点很简单,依宁静态的行为来看,ATCA与昴星团望远镜辨认出的FRB椭圆“宿主”星系更有可能是个活动星系,因此射电波段出现瞬时的增亮顺理成章,而毋须借助FRB的余辉来解释其光变。如若此说成立,怕是FRB 150418的相关“发现”要继GRB 021206的偏振“测量”之后变成《自然》杂志编辑Leslie Sage亲手放行的又一大乌龙,对杂志以及Sage本人来说都相当不利啊……

事情出在这个椭圆星系宁静状态下的射电光度上。这些数据是Keane等人在爆发过后90天以及190天时测得的。如果这是一个正常星系,在0.492的红移上,如此光度反映出的产星率高达每年100到1000倍太阳质量,这要比年老恒星为主的椭圆星系高3到4个数量级。除非其中心存在活跃黑洞,让星系的射电辐射大大增强,否则这样的光度难以合理解释。但黑洞主导的活动星系本身就是高度易变的,现在我们对这个FRB候选宿主星系的行为又没有充分认识,单凭Keane在区区数日内的观测不足判断它的本性。当然你可以挑毛病说,斯隆巡天的数据并未发现候选星系具备类星体式光谱,但某些带有射电辐射的早型活动星系,其活跃性并没有反映到可见光光谱中;而这个星系在WISE观测波段下的颜色也与具备活动星系核不矛盾。更且Keane等人估算的射电变源与FRB 150418不相关的概率,也还没有小到足以忽略的地步。

对变源来自快速射电暴余辉一说更不利的是,它的多波段光变模式并不能很好地用同步辐射的冲击波演化来解释。虽然“余辉”整体的衰变形状类似短暴,但套用伽玛暴余辉理论,根据早期双波段的谱指数信息,在暴后不到0.1天的极早期,射电辐射的峰值频率就应该降至5.5 GHz之下。这对于伽玛暴来说几乎不可能。而就算认为FRB行为特殊,由此预言的衰减模式也不符合观测,何况如此情况下同步辐射理论会要求过小的总能量以及大得近乎不合理的环境介质密度,由此就会带来强烈的同步自吸收,压根就不会出现接收到的脉冲。

孰是孰非?唯一的方法就是等候更多的事例,当然还有对这次的候选宿主星系进行长期监测,以判定它的真实身份和长期行为。需要指出的是,在FRB 140514过后几小时到数日内,ATCA、Effelsberg和大型米波望远镜都对相关天区作了后续观测,但一无所获。因此就算FRB 150418余辉的发现是真实可靠的,宇宙中的快速射电暴也可能是多种多样的,其后续行为迥异。就好像伽玛暴明显分为起源不同的长短两类一样,没有人敢打包票说快速射电暴是一类均一的现象。

与将近20年前伽玛暴余辉发现之初相比,现在快速射电暴的最大问题在于它本身的理论就存在诸多不确定性。要知道伽玛暴余辉的发现是在伽玛暴本身被发现的将近40年之后,这期间无论是理论还是观测都取得了长足进展,研究者足以凭借手头数千次爆发的数据积累,从花样繁多的中心能源模型中筛选出最可能的情况;同时在伽玛暴宇宙学起源之说的基础上,根据相对论性激波自相似解以及同步辐射机制导出的伽玛暴标准余辉也只待观测的证实,所以GRB 970228一次事件足以确认这类事件来自宇宙学距离大质量恒星的坍缩和爆发。而如今对于快速射电暴来说,这种现象刚被发现不到10年,模型数量多过已知样本的历史在重演,手头的数据不足,难以将哪类模型完全排除。而FRB是否具有余辉,余辉如何演化更是未知数,FRB 150418的相关观测引发争议,也实属情理之中。

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