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2017-3-13

FRB 110220与140514是否同源?

复发暴FRB 121102的发现可以说是为快速射电暴这样一个年轻的研究领域带来了重重疑云。它至今仍是已知唯一可以重复爆发的FRB,其实质、是否具备代表性,还有与其他爆发的异同都是近来被天文学家广泛探讨的话题。这样的重复暴是否存在其他例子?至少目前还没有确切的正面答案。但是新近发表的Piro & Burke-Spolaor (2017)提供了一种新颖的观点:在天空中靠近彼此的FRBs 110220与140514也许就是来自同一起源的。

FRB 121102的历次爆发同源几乎无异议,除了它们的位置几乎相同之外,还有一条原因是相近的色散。色散是电磁波在等离子体传播过程中伴随的效应,距离越远,介质越致密,则色散越为明显。由于一般认为星系际介质密度起伏不大,河外爆发的色散在很大程度上就代表了暴源的距离。不过FRBs 110220和140514的情况就有些棘手了:它们在天空中只相隔9角分(听起来这个距离不算太近?但是请记住,发现它们的Parkes望远镜波束宽度足足有14角分),但前者的色散量是944.4秒差距每立方厘米,但后者色散只是562.7秒差距每立方厘米。

其实在FRB 140514公布之时,它的发现者就估算出,它与FRB 110220完全无关的可能性大约是三分之一。这一概率在显然是不容忽视的,再加上这两个暴色散明显不同,所以大家普遍认为这是两个截然不同的源。不过随后其他人又重新进行了分析,认为二者毫不相干的几率只有1%左右。那么这其中的色散差异要如何解释才好?

早些时候提出的河内耀星模型看上去可以应付这一点。耀星信号的色散不是来自星系际介质,而是星体周边的等离子体环境,这样的环境理应是时刻变化的。但是这一模型是无法应对FRB 121102这样的稳定色散的,更何况FRB 121102本身已经被判定属于河外起源。而Piro & Burke-Spolaor (2017)的目的,就是提出一种带有时间演化的河外模型,在FRBs 110220和140514起源同一的前提下,解释其色散变化的成因。

这一模型要涉及超新星遗迹的膨胀。考虑众多快速射电暴的模型都要借助年轻中子星的参与,其与遗迹成协也合乎情理。超新星遗迹早期的演化先要经历膨胀、冷却,期间遗迹内的物质以月为时标发生再复合;随后遗迹同星际介质的作用形成了反向激波,穿越抛出物。这道激波让物质再度加热电离,这样就构成了能够让射电波色散的环境,具体的色散量则与遗迹的膨胀速度、抛出物质量、电离比例以及年龄等种因素有关。

复发射电暴在历次发作时,宿主星系、银河系以及星系际空间的贡献基本是保持不变的。而文中这对主角爆发在3.2年的时间里,色散减少近400。根据超新星遗迹演化的简化模型可以推知,若这两起射电暴真的身居某个遗迹中,遗迹的年龄应该不到10年。换句话说,造就中子星的这场超新星爆发,是在10年之内发生的。而为了保证接收到的1.4 GHz连续谱辐射不太受自由—自由吸收的影响,这个超新星还要至少满足两个条件之一:要么抛出物还不能太多,至多与太阳同数量级;要么爆发动能较强。这样的事件是否存在?

2001年被观测到的SN 2001hh还真的就发生在距离这两起射电暴不太远处,其宿主星系红移约为0.02,这远远没有超过经由FRB 140514的色散给出的红移上限(0.5)。但说是不远,这个距离也是38角分,超出了Parkes望远镜的束宽;另外SN 2001hh的抛出物质量也很可能比要求的大了太多,所以不太靠谱。但10多年前天文学家搜索变源的能力远不如现今,所以不排除有合适的超新星未被记录在案的可能性。

那么FRB 121102的情况又该怎么讲?4年间,它的历次发作色散差异极小,套用同样的动力学演化模型,对应的遗迹年龄有数十年,而抛出物质量更大,所以与FRBs 110220/140514并不矛盾。再说,FRB 121102的宿主星系观测也说明,该爆发的色散并不完全源自星系际空间,暴周环境也贡献了较大一部分,超新星遗迹算是合情合理的一种可能性。而现今并无频率较低的FRB探测,这一点也可以归结为超新星遗迹环境下的吸收作用。

Piro & Burke-Spolaor (2017)给出的自然只是一种猜测,但它至少说明了重复暴或许并不能以色散量来判断归属,而寻找先于快速射电暴并在同一位置爆发的超新星,或是在700 MHz以下的频率上尝试搜索FRB,也不失为未来的研究思路。当然,最妙的可能性莫过于找到更多的重复暴,只有那时方能具备解密这类事件的条件。

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