近期，中国科学院上海天文台余文飞研究员领导的观测高能天体物理课题组与国际合作团队在“中国天眼”发现的快速射电暴(fast radio burst, 简称frb)——frb 20190520b——的精确定位和射电对应体研究中取得突破性进展。
相关研究成果于6月9日在《自然》发表。论文第一作者是国家天文台牛晨辉博士，国家天文台李菂研究员、上海天文台余文飞研究员和加州理工大学c. law 博士为共同通讯作者。
快速射电暴（frb）是宇宙中最明亮的射电爆发现象，在1毫秒的时间内释放出太阳大约一整年才能辐射出的能量。目前，全球已公布了近五百例frb，仅不到10例有活跃爆发（即在其窗口期内频繁爆发）。此前并未发现存在持续活跃的重复快速射电暴。
此次研究发现该frb具有明亮且致密的持续射电源（persistent radio source, 简称prs），是至今为止发现的超过500个frb中的第二例，其近源（near-source）电磁环境比之前发现具有prs的唯一一例frb更加极端，但没有发现紫外和x射线短时爆发对应体。这一发现揭示了重复快速射电暴活跃爆发特征、局域极端电磁环境和prs高光度间可能的联系。这些研究结果为天文学家解决快速射电暴起源和演化等前沿科学问题提供了重要观测线索。
发现和定位 —— 一颗重要快速射电暴显现
frb于2007年被天文学家lorimer首次发现。它是一种神秘的射电窄波段爆发现象，其单个爆发持续时间为毫秒时标，但辐射能量可达太阳一年的辐射总量。根据这些观测性质，天文学家普遍认为快速射电暴（frb）与致密天体，特别是具有强磁场的致密天体爆发活动等有关。观测发现，其中很小部分frb重复爆发。在重复爆发的活跃期，天文学家可以有准备地实施定位和监测，有助于精确定位和搜寻多波段对应体和宿主星系，从而可能解决快速射电暴的起源与演化等科学问题。
天文学家spitler等于2016年发现首例重复快速射电暴frb 20121102a，同年chatterjee等给出了frb 20121102a的亚角秒级精确定位并确定其宿主为一个矮星系，还首次发现frb 20121102a具有致密的prs，在射电波段具有显著超出银河系内射电天体的亮度，frb 20121102a中的prs同frb间应必然存在联系。因此，致密prs为直接探测并研究该快速射电暴的近源（near-source）环境提供了绝佳路径。但由于此前仅有frb 20121102a一例，存在偶然因素，因此发现与frb 20121102a类似的第二例frb-prs联系至关重要。
中国科学院国家天文台李菂研究员领导的研究课题组2020年在系统处理fast“多科学目标同时巡天（crafts）”项目观测数据时，发现在2019年5月20日的观测数据中存在重复的高色散脉冲，这符合frb的观测特征。这个新发现的快速射电暴后续被命名为frb 20190520b。
图1.从（a）到（c）十字瞄准线表示了frb 20190520b由vla定位给出的快速射电暴的方位。（a）图为cfht望远镜获得的光学图像，右下方插入图显示了在frb位置（黄色圆圈）处对应的宿主星系；（b）图为subaru望远镜获得的红外图像；（c）图为vla望远镜获得的射电图像，可以看到与frb位置一致的致密持续射电源（prs）。摘自niu et al.2022, nature（详见点击文末“阅读原文”）。
基于该原始发现以及后续多次fast观测得到的角分级定位，上海天文台余文飞研究员领导的观测课题组联合国家天文台李菂研究员团队，于2020年5月和7月先后通过美欧雨燕天文卫星（swift）与fast空地同时观测以及美国甚大阵射电望远镜（very large array，简称vla）机遇性观测，搜寻持续和短时标多波段对应体，并尝试对frb 20190520b实施百倍以上的精确定位。合作团队通过2020年7月首次vla观测即实现frb 20190520b在亚角秒水平的精确定位，还成功探测到与frb成协的、致密的prs，滞后四年发现了frb 20121102a的“孪生兄弟”。上海天文台团队负责了vla系列观测中持续射电点源的测量和分析。
精确定位的快速射电暴色散-红移关系。清晰可见frb 20190520b拥有极端的宿主星系电子密度贡献（摘自niu et al. 2022, nature，详见点击文末“阅读原文”）。
frb领域创始人邓肯·洛里默对此评价说：“基于frb 20190520b这些特征及其持续射电源的存在，我认为快速射电暴可能有不同的分类。随着快速射电暴样本的持续增长，预计未来几年内，我们能够拨开快速射电暴神秘的面纱。”
“frb 20190520b是fast至今发现的大约6例快速射电暴中第一个被精确定位的快速射电暴，也是首个被发现具有prs且由我国fast发现的快速射电暴。”余文飞研究员表示，“和国家天文台团队合作，结合我国fast的高灵敏度和美国甚大阵列的定位优势，我们实现了针对frb20190520b由fast发现到美国甚大阵射电望远镜的精确定位。”
fast“多科学目标同时巡天（crafts）”优先重大项目迄今已经发现至少6例新frb，正在为揭示宇宙中这一神秘现象的机制、推进天文学这一全新领域的研究做出独特的贡献。
来源：中科院之声、中国科学院上海天文台
上观号作者：上海科技