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2015-7-4

纷杂的快速射电暴理论模型

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 3:28 pm

快速射电暴是一种最近愈发热门的新现象。在观测上,它表现为1.4 GHz频段上毫秒级的单峰射电脉冲,且尚未发现成协的其他波段对应体。除了今年刚刚发表的FRB 140514属于实时探测之外,现今已知的所有快速射电暴都是从观测数据存档中挖掘而来的,这其中又以澳大利亚的Parkes望远镜为多。由于观测数据缺乏、自由参数多,当前快速射电暴研究的处境几乎是几十年前伽玛暴的重演,各路靠谱不靠谱的理论纷纷浮出了水面。本文对目前已有的模型大致作个梳理,权作参考。

FRB 140514的射电光变曲线(上)与动态频谱图(下)。它是在重新观测已知射电暴发生天区的时候发现的,距离早些时候的FRB 110220很近,但由于色散不同,因此两次事件应该没有什么相关性。(图片来源:Petroff et al. 2015

跟伽玛暴早期研究史类似,当前的快速射电暴模型大致也可以分为两类,也就是河内与河外起源,后者又可以分为宇宙学距离起源与邻近星系两类。人们现在并不清楚快速射电暴起源于何方,只是由于这类现象都表现出了明显的扫频特征,而且时间延迟量与频率的二次方反相关,与星系际等离子体导致的色散严格相符,因此研究者一般还是将色散归结为射电脉冲在传播过程中受星系际介质影响所致的。由此可以估算出快速射电暴的红移,大体分布在0.5到1之间,所以宇宙学起源尤为热门。当然,色散可能的成因并不唯一,所以由此求得的距离仅供参考。若要知道这些奇特的脉冲究竟源于何方,还要等到未来直接测量红移之后了。

无论是哪种快速射电暴模型,需要解决的关键问题都包括短时标,较强的能标以及高发生率,当然还有为明亮的相干辐射提出可能的机制。短时标意味着爆发源区较小,属于亚恒星级事件;能标意味着它们是相对剧烈的爆发。高发生率尤其值得一提。虽然现在已知的快速射电暴屈指可数,探测率看似很低,远远比不上伽玛暴或超新星。但是要知道,大型射电望远镜的视场也是窄得可怜的,比不上专门用于搜索超新星的望远镜,相对伽玛暴监测卫星覆盖全天几分之一的视场更是望尘莫及。为了保证当前的探测率,快速射电暴的发生率必须要达到令人瞠目的每天1万次。如果认为它们起源于河外,这一数字意味着每个星系每千年发生一次快速射电暴,远高于伽玛暴的每百万年一次,又比超新星爆发每世纪一次的频率略低。

 

河外致密星相关过程

致密星,尤其是中子星相关过程属于快速射电暴河外起源模型中最受青睐的选择。原因很简单,如果认为这类爆发的距离估算可信,它们起源于宇宙学距离,那么每次爆发释放的辐射能相当于1042至1043尔格,中子星磁层中储存的能量(1045尔格)正好可以满足需要。而且中子星体积很小,相对也更容易满足小辐射源的观测限制;其强磁场环境也为观测到的相干辐射提供了条件。以下列出了几种主要的相关理论。

磁星巨耀发 巨耀发事件对应磁星壳层在强磁场作用下的破裂重组,曾被用于解释包括短伽玛暴在内的多种瞬变现象。磁星巨耀发理论基于能量与发生率,认为河外发生的耀发也是快速射电暴的元凶,后来具体的爆发过程又被细化为磁星耀发期间抛出的磁化脉冲与磁星星风云的作用。磁星星风云与脉冲星风云类似,源于磁星强磁化相对论性星风与周围星际介质的相互作用,其中充斥着磁场和正负电子对。当耀发引起的磁化脉冲向外传播,撞击磁星星风云顶部的终端激波时,就会产生一对磁化的正反激波,并在激波波前引发同步脉泽辐射,其频率与辐射强度正好与观测相符。这一理论认为,在快速射电暴发生的时候,正向激波还能同时产生毫秒级的TeV脉冲。鉴于当前已知的几个快速射电暴估算距离基本是十亿秒差距的量级,超过了百万秒差距的特高能光子视界,因此这些特高能信号无法被观测到。如果未来有幸发现邻近的爆发,有望对该理论进行检验。此外在同一方位重复出现的快速射电暴也可以很好地支持磁星模型。(参见Popov & Postnov 2007Lyubarsky 2014

邻近星系中的磁星脉冲 也是磁星耀发模型,不过主角换成了邻近星系核区附近的磁星。根据对银河系的了解,星系核中的射电磁星密度非常高,这就为快速射电暴的发生率提供了保障。同时由于距离更近,该模型对爆发能量的要求也大为放松。至于高色散量,大可用密度远高于星系际介质的星系核内物质来解释。检验模型的关键当然也在于红移测量,如果未来能够发现快速射电暴的宿主星系红移普遍远小于1,那么邻近星系磁星爆发一说就很有希望了。(参见Pen & Connor 2015

双中子星并合 磁星耀发无论从能量还是爆发率上都是与快速射电暴特性相符的,但是由于这样的事件射电辐射时标通常较长,与观测上的毫秒级爆发有所不符(前述磁星星风云的相关过程应该也是为了解释时标而提出的)。为了发挥中子星相关模型的优点,同时克服磁星理论带来的麻烦,研究者又提出了双中子星并合模型。爆发过程对应并合的最后阶段,期间两星进入潮汐锁定状态,磁场结构与自转达到同步,并在磁制动效应的影响下发出相干射电辐射。计算表明,若双星的磁制动过程转化效率与单个中子星相当,那么典型的中子星磁场强度足以应付观测。这一理论预言,快速射电暴会伴随有引力波辐射以及较弱的伽玛射线辐射,后者无法用现有仪器探测到,但前者应该是新一代引力波探测器的重点关注对象。同时双中子星并合事件发生与否与产星区没有太大的关系,因此该理论认为快速射电暴的宿主星系形态应该较为多样化,而不像磁星耀发模型那样以产星星系为主。不过为了达到爆发率的要求,双中子星并合模型要求并合率较高,接近理论估计的上限(但也还在允许范围内),如果情况属实当然是引力波天文学的福音,只是其中的不确定度着实比较大。(参见Totani 2013

双白矮星并合 依然是双致密星并合,依然是相干辐射,只是并合发生在质量较小体积较大的白矮星之间。按照白矮星并合理论,快速射电暴产生于并合过程的大质量快速自转磁化白矮星极区(而非并合之前)。这一模型也可以给出与观测吻合的时标、能量与发生率,还一并作出了快速射电暴与Ia型超新星或X射线盘面成协的预言。但无论是双白矮星还是双中子星并合,持续时标不明且都有可能偏长是其明显缺陷(对于中子星并合模型来说,这一点尤其讽刺)。(参见Kashiyama et al. 2013

并合后的大质量白矮星辐射区示意,快速射电暴源自星体极冠的相干区域。(图片来源:Kashiyama et al. 2013

含有中子星的双星系统超新星爆发 这样的事件应该是双星系统经历的第二次超新星爆发了。在爆发期间,超新星的冲击波会穿越中子星伴星的磁层,由此导致激烈的瞬变现象,甚至早年有研究者认为,磁层在此期间产生的磁尾会发生激烈的磁重联,进而加速粒子发出高能辐射,在观测上表现为伽玛暴。对于快速射电暴来说,这样的磁重联过程引发的磁尾等离子体不稳定是诱因。不过这一理论自由参数相当多,中子星的磁场、激波速度和密度都是相当不确定的,涉及的过程也高度非线性,因此具体产物也许会很复杂,并不一定是观测到的短暂单峰脉冲。(参见Egorov & Postnov 2009

超重中子星坍缩形成黑洞 这一模型是受伽玛暴中心能源的最新研究而提出的。按照当前的理论,伽玛暴的中心天体也许不仅仅是传统观点认为的黑洞,也有可能是快速自转的中子星。无论是双中子星的并合还是大质量恒星的坍缩,都有可能以超重的毫秒脉冲星为中间产物。在超重中子星形成之初,它在快速自转的支撑下免于坍塌。但是自转频率随后在磁制动效应下愈发减少,中子星无法支撑自身,从而最终坍缩成为黑洞。在坍缩的瞬间,原本的中子星表面被刚刚形成的视界所包围,磁力线被切断,由此出现射电辐射的突增,快速射电暴信号出现的时刻就对应黑洞的形成。超重中子星坍缩模型的重要预言之一是认为伽玛暴(尤其是短暴)同快速射电暴存在成协性,快速射电暴出现在主暴过后不久,同时还将某些伽玛暴X射线余辉中带有陡降的平台归结为中子星坍缩的过程(平台结束开始陡降的时刻正对应快速射电暴的发生)。当然,在此模型框架下,快速射电暴也会伴有引力波信号。考虑快速射电暴发生率远高于伽玛暴,也并非所有的伽玛暴一定以超重中子星为中心能源,这一模型给出的解释是超重中子星的坍缩时标取决于环境,可以从数十秒到数千年甚至更长时间不等,只有时标最短的那些才有可能产生伽玛暴。但是整个模型的相关过程较为复杂,计算的不确定性很大。今后如果能够确认两类爆发现象的关联,又或者是探测到可能的引力波辐射,那么对该模型将是很好的支持。(参见Falcke & Rezzolla 2014Ravi & Lasky 2014Zhang 2014

伽玛暴X射线余辉中表现出的平台以及过后的陡降结构,可以用超重中子星的减速与坍缩过程来解释。(图片来源:Gompertz et al. 2014

中子星周围的行星系 观测表明,一些中子星周围确实存在行星,实际上第一个确切的系外行星系就是环绕中子星运行的。当这些行星在中子星磁场中穿过的时候,运动产生的磁尾会发出特征辐射,由1到4个毫秒级辐射峰组成,正可以用于解释快速射电暴。这一模型的优点在于对能量要求较低,但它预言这样的瞬变信号应该存在周期性变化,这一点尚未得到数据的支持。除此之外,本人所在小组的一名师弟还与导师提出,中子星同周边小天体(如小行星或彗星)的碰撞也有望产生快速射电暴。虽然该过程会伴有X射线辐射,不过这一成分可以通过合理调节参数得到抑制。而且这样的撞击事件无论是发生在宇宙学距离上,还是出现在近域星系中,都可以解释观测,只是碰撞过程的细节还有待进一步的讨论。(参见Mottez & Zarka 2014Geng & Huang 2015

 

河内事件

很多研究者并不赞同快速射电暴的大色散量源自星系际介质,并试图用银河系之内的过程来对其进行解释,以下列出了两种本人所了解到的模型。需要指明的是,现在已经有一些工作(如Luan & Goldreich 2014)认为,快速射电暴的色散特性不大会是源自银河系内部氢云或恒星星冕的,最可能的解释还是河外起源(不过很有可能是源自其他星系的致密区域的);同时河内起源也从来不是快速射电暴的研究主流,所以对下述模型也要慎重。

河内耀星 这个模型应该算是快速射电暴河内起源说的主力了。它认为银河系之内(甚至是距离地球1千秒差距之内)的主序星耀发才是快速射电暴的成因,至于较大的色散量是星体周围星冕等离子体的产物,而与星系际介质无关。为了证实这一点,模型的提出者还监测了3个快速射电暴附近的天区,并在其中的一处发现了一颗G型主序变星(这一概率远高于变星随机出现的概率),其光变的根源可能是一对接触双星。由此,爆发是存在源自这类变星的可能性的。但是河内耀星说面临的难题在于,快速射电暴在天空中的分布相对均匀,不乏高银纬事件,明显与集中在银盘附近的恒星分布不符,而且恒星耀发时标相对观测可能偏长,具体辐射机制还有待探讨。(参见Loeb et al. 2014

FRB 110703周边天区的周期性变星V233003-024818(以绿色十字线表示),图中浅蓝色的圆圈对应观测快速射电暴的望远镜馈源波束的半峰全宽。(图片来源:Loeb et al. 2014

大气内的现象 有研究者试图将Peryton与快速射电暴,尤其是第一个快速射电暴FRB 010724统一起来。与后续的类似爆发相比,这次事件色散量偏小,而且是被Parkes望远镜的3个馈源(而非1个)探测到的,因此让人疑心顿起。Peryton由于行为诡异,更是集中在工作时间出现,早已被定性为大气之内的现象,而由于色散类似,有说是FRB 010724其实就是Peryton的一员,Peryton、FRB 010724以及其他快速射电暴起源的高度依次递增。不过现在Peryton已经被判明是来自Parkes天文台数台微波炉的干扰,FRB 010724无论从色散行为还是从出现时间来看都与Peryton不符,因此这个理论只是在此一提,不必太当真。(参见Kulkarni et al. 2014

 

奇特的过程与新物理

与伽玛暴发现之初的情况类似,哪里存在未知,哪里就有一些奇特的新物理过程粉墨登场。个人对这些模型的观点是不妨了解之,但是要把它们太当真,嗯,那就不大有必要了。

轴子星 轴子是一种暗物质的候选成分,它的一个重要特点是可以在强磁场下转化为辐射。如果大量轴子聚集成小团簇,就可以形成轴子星。如果假定宇宙中的暗物质以轴子星为主,就可以用轴子的转化来解释快速射电暴了。这里的磁场可以来自邻近的中子星,而只要距离合适,轴子转化发出的辐射在地球观测者看来就会落在1.4 GHz频段上。轴子模型认为,快速射电暴会伴有强烈的圆偏振信号。由于它的根本性假设要高度依赖暗物质成分,若能在未来进行爆发的偏振测量,有望用于限制轴子存在的比例以及特性。(参见Iwazaki 2014

黑洞湮灭 两个微型(质量不足1013千克)黑洞彼此碰撞并发生湮灭的时候,会形成正负电子对火球。当这样的火球在星际磁场环境下膨胀时,会产生表面电流以及射电辐射的突增,对应频率正与快速射电暴相当。不过该模型给出的爆发距离相对较近(不足200千秒差距),又不是特别依赖周边的高密度环境,难以应付高色散量的测量。(参见Keane et al. 2012

黑洞与白洞 这一模型将快速射电暴的起源归结为原初黑洞在量子引力效应影响下的快速(短于霍金蒸发时标)爆发,然后经由白洞通过局域隧道效应释放能量。它的提出背景是,根据快速射电暴发生时标推出的源区时标与原初黑洞,而原初黑洞是可以在当今的宇宙中爆发的。如果情况属实,那么快速射电暴可以为量子引力研究提供新的途径。但这样的过程理应伴有高能辐射,而由于现今大视场伽玛射线监视仪器没有发现过任何一个快速射电暴的成协高能源,基本可以排除快速射电暴普遍伴有伽玛射线信号的可能性(需要注意的是,这一点与前述的超重中子星坍缩模型并不矛盾,因为在坍缩模型框架下,只有少数快速射电暴与伽玛暴是成协的),黑洞坍缩白洞释能产生射电暴信号一说存疑。(参见Barrau et al. 2014

宇宙弦 在宇宙磁场中振荡的超导宇宙弦会形成感生电流。如果这里的宇宙弦呈闭合的环状,其以准光速运动的尖角区域可能就会释放出短暂的高度准直电磁暴。这个过程是伽玛暴的非主流模型之一,不过为了产生伽玛暴,需要有高密度介质来吸收电磁能并转化为火球。如果电磁暴没有受到附近介质的明显吸收,也有可能直接穿过宇宙,最终作为快速射电暴被记录下来。无论是辐射谱还是发生率,宇宙弦模型都可以较好地吻合观测。如果未来可以发现红移超高的快速射电暴,对宇宙弦起源应该是很好的支持。(参见Yu et al. 2014

 

与当年伽玛暴理论面临的乱象相比,如今快速射电暴可能更加纷乱,因为哪种理论都是看似合理,但细细追究之下不难发现各自的窘境。它们要么是不能再现所有的观测特征,要么是提出的问题比能够解决的更多,甚至彼此之间还存在互相“掐架”的现象,如对某类事件的发生率的估算彼此差异甚大,为克服他人缺陷提出的新模型自身也难以回避同样的缺陷等等。考虑现在的观测限制很有限,红移测量与其他波段的后续观测都还是空白,甚至因为爆发总数积累不足,连这类现象的分布情况都很难下定论,要提出一种合理且完善的模型,也实在是有点为难理论家了。

自己在国外的导师曾经评论说,史上曾经有过两次距离之争,分别是旋涡“星云”的本质以及伽玛暴的源起,最后都以宇宙学距离派胜出,于是他也满心期待着这一幕在快速射电暴上重演。就个人来说,其实还是希望这种新的现象起源于河外的,毕竟这样一来研究者就可以获得新的宇宙探针。不过快速射电暴的真身浮出水面还有待时日,在这之前,理论家大可尽情发挥想象力就是了。

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