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2016-3-7

重复发作的快速射电暴

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 5:47 pm

对于快速射电暴而言,这段时间真可以称得上是多事之秋。前脚2月底的FRB 150418余辉之争未平,后脚3月初的FRB 121102疑似重复发作又在天文界激起了轩然大波。这两个都在《自然》杂志发表的发现,公布时间彼此相差还不到10天。更要命的是,它们带来的推论相互矛盾,这下子快速射电暴的原本已经莫测的本性变得更加难以捉摸了。

FRB 121102是由澳大利亚Parkes天文台之外的其他台站看到的第一个也是少数几个快速射电暴之一,最初是波多黎各的阿雷西博望远镜在执行L波段馈源阵列脉冲星巡天(PALFA)并尝试发现新的射电脉冲星的时候记录下来的。当时它的发现说明FRB并非帕克斯天线的缺陷,从此让这类现象的真实性变得更为确切。除了发现地特别之外,FRB 121102还是为数不多的低银纬暴的一个样本,银纬只有-0.23度,几乎就位于银道面之上。不过鉴于这次爆发的色散量相当于该方向上银河系贡献最大值的3倍,更且周边不具备已知的大型氢云,故而还是有充分理由认为它来自河外深空的。

FRB 121102的发现天区,位于御夫座的产星区IC 410和超新星遗迹S147附近,在上图中用绿色圆圈标出。(图片提供:Rogelio Bernal Andreo/DeepSkyColors.com)

前文提到过,对于实时探测的FRB 150418,Parkes天文台立即通知其他台站进行后续观测。对于非实时探测的FRB 121102,阿雷西博天文台则采取了另一种后续政策:在其他时间观测同一天区。于是在2015年5到6月总计3个多小时的观测时间里,拥有7个波束的ALFA馈源阵又对准了FRB 121102的所在,然后一共发现了10起额外的爆发,其中5月17日有2起,6月2日竟然出现了令人瞠目的8起,但值得一提的是爆发间隔并不具备统计意义上明显的周期性,更有6起是在短短10分钟内集中发生的。

这11次同天区爆发的持续时间从2.8毫秒到8.7毫秒不等,流量和光谱形状也不尽相同,其中较为特殊的是最初的那一次,其幂律辐射谱形状极硬,在高频段的流量更强,而其他几次都是低频明亮或是存在拐折的。不过鉴于现在FRB的真实特性不明,且都来自相近的方向,因此以德国马克斯·普朗克射电天文所的Laura. G. Spitler为首的研究小组将这些事件统称为FRB 121102。

好吧,其实11次爆发严格说来也不能算是发生在同一天区。在1.4 GHz的频段上,ALFA馈源阵每个波束半峰全宽约合3.5角分左右,如下图所示,探测到各次爆发的馈源在观测期间覆盖的天区并不完全重叠,尤其是第一次和后续的偏差较大:

FRB 121102历次爆发的天区,图中红色表示ALFA的中心馈源在历次观测期间的覆盖天区,蓝色表示外围6个馈源的覆盖天区。2012年11月2日发现期间的馈源位置以黑色实线勾出,后续观测时的馈源位置以黄色虚线勾出。探测到历次爆发的馈源勾以黄色实线,并用数字标明第几次爆发。(图片提供:Spitler et al. 2016)

按说3.5角分的宽度并不算窄,那么为何还要坚持认为这10次频繁的后续爆发都是FRB 121102的重复发作?首先,在第一次探测期间,FRB 121102的位置与接收机视线方向偏离较大,定位不准也在情理之中;何况这一宽度数据本身就是指射电波束的半峰全宽,绝不是说在此之外空无一物。其次也是更重要的是,所有这些FRB的色散量在误差允许的范围内彼此一致,都在559秒差距每立方厘米左右浮动。不管快速射电暴的色散究竟起源于星系际空间还是宿主星系内部的等离子体,在如此小的天区内各暴的色散量的如此集中,如果不认为它们源自同一暴源,还是颇为诡异的。(作为比较,FRB观测的经典文献——Thornton et al. 2013中给出了4次射电暴的数据,其中的色散量各个不同,从最小的521到最大的1000有余不等,分布范围更是在天空中彼此相差数十度。)

而光变行为的较大差异倒也不太让人惊讶。就算这些FRB是同一个源的重复爆发,对于爆发性天体物理事件来说,个体差异甚大并没有什么不能理解的,比如近在身边的太阳活动,不也是次次不同么?而第一次爆发的硬谱更可能是由于偏轴观测导致低频成分被ALFA接收机严重抑制的产物,并非天然。

FRB 121102历次爆发的脉冲光变曲线与1.214-1.537 GHz频段辐射谱。其中第一次爆发是最初的探测,第二、三次为2015年5月17日的探测,其余均为2015年6月2日的探测。(图片提供:Spitler et al. 2016)

那么FRB 121102为何会再三爆发?历次爆发会不会是像Refsdal超新星那样,只是一个事件被引力透镜一分为N的影像?至少在本人查到的资料里,在FRB 121102所处天区和由色散导出的红移上,不具备已知的强引力透镜系统,并不像Refsdal超新星那样明确身居大质量星系团MACS J1149.5+2223后方。虽说引力透镜源的系统列表从来都是不完全的,但总不至于能够漏掉这样一个明显的案例,毕竟时隔甚久的多次爆发就必须要涉及大尺度引力源而不是恒星级天体引发的微引力透镜了……

如果FRB 12110的重复发作属实(而不是频繁来自同一天区的多次无关爆发),那么由此得出的推论当然是快速射电暴不可能是灾变性事件。回顾一下根据FRB 150418的疑似余辉与宿主星系得出的推论,椭圆星系意味着年老恒星,而涉及此类前身星的现有理论基本要导致星体的彻底毁灭,比如双中子星的并合或超重中子星的坍缩。这样看来,相隔短短几天公布的两个看上去都很重要的发现不是一般地不相容,可能暗示了FRB中心能源的多样化。

要说复发射电暴的可能机制,往往都要涉及较年轻的星族,如河内的耀星。要解释耀星耀发的较大色散,就必须要借助星冕。但是星冕中的电子数密度大则大矣,小尺度分布却并不均匀,几乎必然会在爆发过程中引起色散量的变化,不符合观测事实,故而这次可以排除。如果是环绕磁化脉冲星的行星,一来各暴的周期性不佳,二来爆发间隔只有数十到数百秒,于行星轨道周期也实在果断。倘或将其归为磁星巨耀发,银河系内的同类天体多年才能巨耀发一次,相较之下FRB 121102的发作频率也实在太高。若换作发生间隔更短的中子星射电亮脉冲,又因能标过低无法满足这次的要求(前提是根据色散量推测的红移可靠)。如此筛除一番,只剩下河外脉冲星的巨脉冲还算说得过去了。

M1中心年轻的蟹云脉冲星,它是巨脉冲最明显的一颗脉冲星。(图片提供:J. Hester and P. Scowen, ASU, NASA)

脉冲星的巨脉冲(Giant Pulse)是最近刚被提出的一种FRB理论模型,今年年初才正式发表。以蟹云脉冲星等河内中子星来看,这样的过程以明亮的相干射电辐射与狭窄的脉冲宽度为特点,具有多样化的辐射谱形态,可能是由单个相干辐射团块产生的,标示着星体磁层明显的能量损失。而且FRB 121102的某几次复发(以及之前介绍过的FRB 121002)所表现出的双峰式光变曲线结构也与巨脉冲不矛盾。

但是FRB 121102能否代表所有的快速射电暴还是一个未知数。Parkes天文台在FRB 150418这样的多台站多波段实时后续观测之外,其实与阿雷西博这次类似的后续也在做,对自家探测到的每个FRB天区都要再次观测数小时到近百小时,但至今一无所获。不过阿雷西博天线的305米口径要比Parkes的64米大得多,因此前者的灵敏度也要高10倍以上。换句话说,后者并无能力探测某些弱暴。以FRB 121102为例,换作Parkes望远镜来观测的话,只有第8次和第11次爆发才有可能被捕获到,若是时间再不赶巧,只碰上了其中的一次,把该暴当成一锤子买卖也不是没可能。又或者说,也许无论是复发的河外巨脉冲,还是毁灭星体的灾变,都会产生快速射电暴这样的瞬变现象,只是强度有所差异。阿雷西博因为灵敏度高,所以有可能发现复发的弱暴;而Parkes这种灵敏度略逊一筹的天线,就只看得到灾变事件导致的亮暴也说不定。当然,这一切现在都还无法下定论,唯一的正途就是等待更多的样本积累了。

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