【深度剖析】FAST发现首个持续活跃快速射电暴

“中国天眼”FAST又双叒有重大发现了！这是今年的第几回了？这不重要，重要的是这次又是关于快速射电暴（FRB）的！这次是发现了一个“持续性爆发”的快速射电暴 FRB 20190520B，并将其成功锁定在一个距离地球30亿光年的矮星系中。相关发现又将我们对快速射电暴的理解推高了一个台阶。

简 洁 版

发现了谁？

快速射电暴FRB 20190520B。

快速射电暴是一种强烈的射电（无线电波）的爆发，持续时间只有几个毫秒，却能释放出相当于太阳在几天甚至一年中产生的能量。

20190520指的是它被发现的时间：2019年的“5.20”（这不重要但好记）。

有何亮点？

1、迄今最活跃的重复快速射电暴——只要你去观测就有！

2、迄今第二例明亮且致密的持续射电源（PRS）——说明它附近拥有极端电磁环境。

3、通过国际上多台望远镜锁定了它的位置，一个距离我们30亿光年的矮星系。而此前第一例 PRS+FRB 也位于一个距离30亿光年的矮星系中——两个事例或许暗示着某种规律。

4、FRB 20190520B 拥有极高的色散（类似太阳光分解成彩虹）且其所在星系的局部环境起到决定性作用，既证明了第2条，也为我们研究它的起因提供了线索。

5、第2、3、4条合在一块儿，表明它不是恒星，也不太会是普通恒星死亡后的遗迹。那么会是什么东西呢？现在不得而知。

详 解 版

我们曾在3月介绍过FAST的一项新发现——请看《 》。如果联系起来看，6月发表在国际顶级学术期刊《自然》杂志上的这个新成果就是一个续集，更加精彩的续集！

简要介绍一下快速射电暴（FRB，Fast Radio Burst）。顾名思义，它是指快速闪现的 射电 （无线电波）爆发。听上去就非常威猛。事实上也的确如此，一个快速射电暴能在短短1毫秒的时间里释放出相当于太阳一整天甚至一整年的能量！2007年，澳大利亚邓肯·洛里默（Duncan Lorimer）和他的学生大卫·纳柯维奇（David Narkevic）在翻阅过去的脉冲星档案数据时才发现了第一例快速射电暴，因此快速射电暴也会称为“洛里默爆发”（Lorimer Burst）。

第一例快速射电暴（来源：Wikipedia）

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惊喜发现

时至今日，总共被发现的FRB已经超过 500 个。然而，绝大多数都只是“一次性”爆发，没有或很少出现重复性。重复出现的只有几十个（一说为24个），而活跃的用两只手就能数出来。而在这当中，FRB 20121102A 和 FRB 20190520B 是两个非常特殊的源，它们相比于其他FRB显得异常活跃。FRB 20121102A 就是FAST在今年3月份发表的成果中的主角，当时我们提到 FAST 在累计60 小时内探测到它出现 1652 次爆发；而 FRB 20190520B 则是今天我们要讲的主角。如果说 FRB 20121102A 是一个“非常活跃”的FRB，那么 FRB 20190520B 简直就是“一刻不停”。

已知快速射电暴的数量（制图：水兄）

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全球聚焦

FRB 20190520B 由500米口径球面射电望远镜（FAST）的“多科学目标同时巡天 ” （CRAFTS， Commensal Radio Astronomy FAST Survey ） 优先重大项目于2019年5月20日发现的。当时是通过 1.05-1.45 GHz波段扫描发现的，在最初扫描的24秒内便出现了4次爆发，这是相当惊人的活跃程度。随后又对它进行了多次观测，每一次都能观测到它的射电爆发，最终研究人员证实，它是迄今唯一的持续活跃的重复快速射电暴！

正如前文所说，绝大多数FRB都是“一次性”短暂出现的，因此我们很难对它们进行定位和研究。如今，遇到一个不消停的FRB，怎能轻易放过它！“兄弟们，给我上！”全球各地很多望远镜都指向了这个目标。

通过美国甚大阵（VLA）测定 FRB 190520B 的坐标为 （16 h 02 m 04.272 s, −11° 17′ 17.32″），精度达到 1 角分（满月的1/30）。加拿大-法国-夏威夷望远镜（CFHT）观测发现在 FRB 190520B 附近（约1″）有一个潜在的光学对应目标——星系 J160204.31−111718.5；随后，被同在莫纳凯亚山上的“昴星团”望远镜（Subaru）在红外波段得到了确认。200英寸的传奇望远镜“海尔”（Hale）和10米直径的凯克望远镜（Keck I）相继通过光谱确认了该星系的红移量为 0.241，即距离我们大约30亿光年。同时，结合多台光学、红外望远镜对氢元素光度的测量，又确认了这是一个质量约为6亿倍太阳质量（~1/1000 银河系），有着相对较高恒星产生率（ ~0.41M ⊙ /yr ）的矮星系。 找到了 FRB 对应的光学目标，至少确定了它所在的宿主星系，这也是最关键最有价值的成果之一！

左：CFHT望远镜光学图像。右下框图为以 FRB 20190520B 为中心 5″×5″ 的区域；
中：Subaru望远镜的红外图像；
右：VLA射电望远镜对 FRB 20190520B 的定位。
（来源：C.-H. Niu, et al. 2022）

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极端环境

对FRB的距离的测定，以往可以通过测量“平均脉冲色散”（DM，mean pulse dispersion measure）来衡量。所谓色散就是光在介质（如空气、尘埃、水滴）中传播时由于各种颜色的光有着不同的折射率而会分解成不同色光的现象（例如彩虹就是阳光色散的结果）。射电波也是电磁波，因而也具有色散的现象。对一个银河系外的FRB信号来说，它的色散量当然是由它一路上所经过的环境所决定的，即FRB的色散量 = FRB宿主星系物质的色散 + 星系际物质的色散 +银河系内物质色散（ DMFRB = DMhost + DMIGM + DMMW） 。

为什么说可以通过色散来求距离呢？银河系内物质色散是已知的。通常只要大概知道 FRB 来自哪个方向，我们就可以扣除这部分影响。而绝大多数 FRB 所处环境我们也不太清楚，所以只能依靠假设。那么剩下的就是星系际色散了。过去，我们利用这种做法发现 FRB 的距离和星系间色散影响是成正比的。假定星系间物质分布大体上是均匀的，那么电磁波走过的路程越远，色散影响越大（这个关系几乎是线性的）。

FRB 20190520B 的色散明显偏离了经典的色散与红移（距离）之间的关系（来源：C.-H. Niu, et al. 2022）

然而，这一次情况不同了。我们非常欣喜地确认了 星系 J160204.31−111718.5 就是 FRB 20190520B 的宿主星系， 并且通过多波段观测明确了这个FRB 的距离。那么现在我们就能反推出 FRB 20190520B 宿主星系（其周围环境）的色散情况了。结果发现，其周围环境起到了决定性作用，贡献了总色散的80%！这也是所有快速射电暴中最高的。

高色散说明快速射电暴 FRB 20190520B 周围环境非常复杂，电子密度应该是相当高的。 这对未来研究 FRB 起源及其产生机制至关重要！

快速射电暴天体想象画（来源：US National Science Foundation）

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身世成谜

看来故事到这儿才算是真正的高潮！

我们再回忆回忆3月份的发现。当时研究人员发现快速射电暴电磁波的偏振性有着随频率降低出现断崖式下跌的情况，并基于这些发现，构建了一个新的数学模型来进行描述。研究人员认为，FRB 的色散与其周围复杂环境脱不了干系。快速射电暴周围如果环境越复杂，拥有更多的气体、尘埃、带电粒子，那么就会造成更大的色散，导致较低频率的电磁波的偏振性显著下降。

在这次6月份的成果中，也提到了偏振性的测量。果不其然，拥有高色散的 FRB 20190520B 也不存在明显的线偏振。有趣的是，3月份的论文的图表中事实上已经出现了 FRB 20190520B 的身影。那么，如果我们沿用当时的思路，推测 FRB 20190520B 可能是一个比 FRB 20121102A 更为年轻的天体。那么会不会是超新星遗迹呢？

FRB线偏振度分布（来源：Yi Feng et al. 2022）

然而， FRB 20190520B 的能量太过惊人了，远高于普通的脉冲星（中子星）所释放的脉冲辐射。同时，它的光度所对应的恒星形成率高达 10 M⊙/yr，居然是其宿主星系恒星形成率的25 倍，甚至比已知同等质量的矮星系中最高的恒星形成还要大 5 倍！因此，难以想象它是一个大质量恒星死亡后的残骸，至少不会是一个普通的超新星。那么它究竟是谁？是如何产生的呢？又一个更大的谜团在科学家脑海中浮现。

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神奇规律

现在我们掌握了两个非常活跃的快速射电暴FRB 20190520B和FRB 20121102A。比较一下会发现很多惊人的相似之处。

第一，距离上，两者都是30 亿光年。
第二，两者的宿主星 系都是矮星系。
第三，两者在低频（1.5GHz）处都表现出较弱的线偏振度。
第四，两者都有对应的明亮且致密的持续射电源（PRS，Persistent Radio Source）。

我们当时介绍引力波时曾讲过这样一句话，一个案例叫“特例”，两个案例是“规律”， 如果有三个或以上的案例，说不定就能进行归纳统计分析了。随着快速射电暴样本的增加，我们有望找到其中关键性的规律——快速射电暴可能有着不同的类型；或者，说得再直白些，快速射电暴之所以呈现出不同类型或许是因为它们正处在不同的演化阶段，就像我们掌握的恒星演化规律一样。

看上去极为罕见的活跃快速射电暴，是因为我们恰巧抓住了“那个东西”诞生后不久的短暂的“婴儿期”。随着时间的推移，它渐渐稳定，它周围的物质也渐渐扩散，活跃的快速射电暴变成了非活跃的，所谓“一次性”的说不定也并非“一次性”，只不过“重复”的间隔期比较长。

正是因为有了像 FAST 这样敏锐的“天眼”才能捕捉到宇宙中的精灵。下一步，天文学家还将投入更多的设备、不同波段的设备继续监视这些快速射电暴，以掌握它们更多的特性。也会使用给黑洞拍照的甚长基线干涉测量（VLBI）技术，更精确地测量它们的大小。

全球多台观测设备一同“捉妖”（来源：中科院国家天文台）

我们离真相又更近了一步！

参考资料：

[1] A repeating fast radio burst associated with a persistent radio source
(DOI: 10.1038/s41586-022-04755-5)

[2] Frequency-dependent polarization of repeating fast radio bursts—implications for their origin

(DOI: 10.1126/science.abl7759)

[3] 中国天眼FAST发现首例持续活跃快速射电暴 ( http://www.bao.ac.cn/news/gd/202206/t20220609_6459126.html)

[4] 全球首例！FAST如何发现这个“勤奋”的快速射电暴？(https://mp.weixin.qq.com/s/xjdWcdjHyVIIEfOba9ZtZg)
[5] 【科研进展】上海天文台科研团队在“中国天眼”发现的首例重复快速射电暴研究中取得突破性进展
(https://mp.weixin.qq.com/s/Oqspwy8Qya9v9hurK2OEYQ)

[6] Discovery of second repeating fast radio burst raises new questions
(https://www.space.com/second-fast-radio-burst-discovered)

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