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2017-5-29

FRB 121102的多波段协同观测

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 7:56 pm

自快速射电暴这种现象被天文学界认识以来,寻找其多波段对应体的尝试就一直没有停止过。2016年,宾夕法尼亚州立大学的James DeLaunay等人声称发现了与FRB 131104成协的高能信号,但这个发现很快就因为视场中疑似活动星系核的存在而变得不可靠。近来加拿大自治领射电天体物理台的P. Scholz的团队又借助FRB 121102能够复发的性质,组织了绿堤、Effelsberg、阿雷西博三台大型射电望远镜与钱德拉和XMM-牛顿两架空间X射线望远镜开展联测,再度瞄准这个暴所在的天区,以图寻找伴随快速射电暴而来的X射线辐射。

4次联测是在2016年9月到2017年1月间进行的,总观测时间接近4万秒。这其中,射电观测数据用于复发的搜索,找到候选事件后再利用高能数据进行分析。但不知是不是因为各台站协调的缘故,每次X射线望远镜的观测持续时间较射电更长。不过既然发现新的复发在很大程度上纯靠运气,这次联测又以射电为主导,让X射线的观测窗口长于射电也还算合理。只是在后两次联测期间,射电并没有得到高能的全面覆盖,所以数据有所浪费。

各次联测期间各望远镜的观测时间示意,其中箭头表示找到的复发事件候选体。(图片来源:Scholz et al. 2017

除了信噪比足够,筛选复发事件的首要依据就是色散与已知的其他活动相符。这次研究者在绿堤望远镜的数据中一共找到了FRB 121102的10起复发,在阿雷西博的数据中找到了4起,其中只有4起出现在去年(还都是在9月),其他都是在今年1月11日当天发生的。幸运的是,所有这些复发都落在了X射线观测窗口期间,这其中还有两次复发得到了绿堤与阿雷西博的共同探测;但Effelsberg在参加的唯一一次联测期间一无所获。

新发现的FRB 121102各次复发的光变曲线图,上方为绿堤的结果,下方为阿雷西博的结果。这其中GBT 8与AO 1、GBT 9与AO 3是两架望远镜对同样复发的共同探测。值得一提的是,阿雷西博测得的脉冲宽度明显较绿堤为宽,这可能是望远镜灵敏度不同的缘故(但依稀记得有资料说绿堤的灵敏度更高?还是说这与各望远镜经历的历次升级有关,不谈年代就是扯淡?);另外第二起共同探测到的复发,两架望远镜测得的峰值流量相差数十倍,原因不明。(图片来源:Scholz et al. 2017

根据射电脉冲到达的时间以及FRB的位置,Scholz等人在X射线观测数据中搜索了可能的瞬变信号。对于2016年9月16日的两次复发而言,位置相符、时间距离最近的X射线光子相差了5.8秒之多;而最接近9月18日的那次复发高能信号也差了0.7秒。如果说这样的时间差尚属合理的话,今年1月的那次联测结果就有些离谱了,最靠近复发的X射线相隔893秒才被接收到。

这里需要留意的不仅仅是高能光子的抵达时间,更有误报的概率。毕竟任何观测设备都具备本底起伏,天空中也充斥着全波段的背景光子和伴有高能光子的宇宙线事件。这几次X射线光子探测的误报率都高达百分之十几甚至几十,换句话说就是这些信号为真的概率远远达不到天文学所要求的3σ置信度下限,所以完全没有理由坚信它们起源于快速射电暴本身。而这些联测的意义,也就是为伴以FRB的高能辐射划定了较以往更可靠也更为严格的上限——在整个观测时间段内,对于XMM-牛顿而言是流量不超过每平方厘米5×10-10尔格,对钱德拉则两倍于此;而相应的能量上限则是在1045尔格的量级上。另外,研究者还处理了费米伽玛射线空间望远镜的伽玛暴监测仪器在联测期间采集的数据。受限于费米的指向,FRB 121102所在的位置只在去年9月的两次联测时得到了费米的观测。分析结果表明,期间的4起复发均无可靠的成协伽玛暴。

这样一来,高能瞬变源的存在性是被排除掉了,但是在FRB所在处是否可能具备持续的高能辐射源?通过叠加钱德拉所有的图像,对这个问题的答案也是否定的,在射电暴所在处,高能波段除了背景光子起伏,空无一物。

联测期间钱德拉X射线天文台对FRB 121102周边天区观测的叠加,红色圆圈半径为1角秒,中心代表快速射电暴所在的位置。可见其中各高能光子呈随机且均匀的分布,没有理由认为圆圈内的几个光子来自爆发本身。(图片来源:Scholz et al. 2017

这样的高能搜索零结果对FRB的研究有何意义?首先,它限定了快速射电暴高能辐射相对射电的比例——不得高于10-6到10-8。这样一来,磁星相关的模型就有些麻烦了,因为它们预言的比例稍高,由此产生的X射线辐射至少可以被当今的望远镜窥见。这倒不是说由磁星产生FRB不可能,而是说当前的理论要进行修正——因为所有模型在提出时都要进行大量的估计,这样的估计准确与否,必须依靠观测来检验。同时,凭借这一次以及其他已有的限制,日后若要提出新的快速射电暴理论,就必须要将不同辐射成分的比例纳入考虑,自顾自地预言可能的多波段信号已经过时了。

另外,无论是钱德拉还是XMM-牛顿,其观测能段都偏软。部分理论预言,与FRB成协的高能辐射应该以硬X射线为主,所以并不适宜用这两台望远镜来探测,尝试探测FRB硬X射线光子的任务尚待未来进行。

还有一个问题是FRB 121102附近的持续射电源身份如何。这个源在今年年初公布的欧洲VLBI网观测中浮出了水面,其结构非常致密,且位置上与暴源吻合,之前有人认为它可能是一个河外脉冲星风云。既然这次在钱德拉的数据并无持续的高能辐射源露面,蟹状星云的河外对应体基本也就被排除掉了;但低光度活动星系核甚至中等质量黑洞的可能性仍然存在。

这项工作最终的结论还是快速射电暴领域常说的套话:如果有了更多样本,就可以如何如何。或者要是不放心FRB 121102的普适性,还可以说成如果发现了更多能够复发的射电暴,则有望回答怎样的问题。只是就现在的情况而言,能取得更好的限制已经颇有意义了。

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