天文学家首次精确定位一次性爆发的快速射电暴

来源：ScienceAAAS

评述论文：A single fast radio burst localized to a massive galaxy at cosmological distance (Science 28 June 2019: Vol 364, Issue 9486)

快速射电暴（Fast Radio Burst，简称FRB）是发生在宇宙深处的短暂而又猛烈的射电脉冲信号。快速射电暴这一全新的天文现象，自2007年首次被科学家发现之后便很快成为当前天体物理研究领域的研究热点。

目前为止，科学家们已经公布了八十几例快速射电暴的探测结果，其中仅有两例具有重复爆发特征。这两例重复爆发的快速射电暴分别是美国阿雷西博（Arecibo）射电望远镜发现的FRB 121102和加拿大氢强度测绘实验（CHIME）射电望远镜发现的FRB 180814。

FRB 121102最初报导发现是在2014年，在2015年又被意外地发现在十几天之内重复爆发了10次。重复爆发就意味着可以有多次机会获得快速射电暴的位置信息，从而为精确定位提供更多的机会。

通过利用位于美国新墨西哥州的甚大阵列射电望远镜（VLA）和Arecibo的联合观测，天文学家们对FRB 121102进行了精确定位。后随的光学望远镜跟进观测发现该暴来自一个亮度较暗、质量较小的矮星系中，所处位置在该矮星系的恒星形成区，距离地球约30亿光年。这是首次（也是迄今为止唯一一次）从观测上直接证实重复快速射电暴起源于银河系之外的遥远宇宙深处。然而，非重复的快速射电暴由于其转瞬即逝的特征，再加上现有单口径或单波束射电观测的定位精度往往较差，要想锁定非重复暴的宿主星系绝非易事，因此天文学家们在此之前一直未能给出非重复暴起源于银河系外的直接证据。

图1. “主角”快速射电暴FRB 180924

在本期《科学》杂志中，“澳大利亚平方公里阵列探路者”（英文缩写ASKAP）项目组首次精确定位了一次性爆发的快速射电暴FRB 180924，发现其位于一个红移为z=0.3214的大质量星系中，而且处在偏离宿主星系中心4kpc（约1.3万光年）的位置上。ASKAP射电望远镜阵列由36台直径为12米的独立碟状天线构成，配备了独特的相位阵列馈源（phased-arrayfeed）接收机，具有宽广的视野和高速数据采集能力，观测能力更高。之前ASKAP望远镜处于调试运营阶段，ASKAP项目组把8个闲置的天线指向不同的方向进行观测，以期扩大接收天区并测试他们的检测系统，最终他们成功捕获了20多个快速射电暴。

此次研究人员则利用24个天线和6公里最长基线进行干涉观测，使得ASKAP能够在30平方度的视场内拥有亚角秒量级的定位能力。果然，研究人员探测到了一个色散量为361.42 pc cm-3的快速射电暴FRB 180924（图1），并找到了该暴的精确位置，定位精度为0.04个角秒。FRB 180924亚角秒量级的定位精度使得研究人员能够利用光学望远镜来证认它的宿主星系。

图2展示的是FRB 180924所处星系的光学成像，该暴位于偏离星系DESJ214425.25-405400.81中心0.8个角秒的位置。对宿主星系的光学光谱观测发现，该星系红移为z=0.3214，距离地球约40亿光年。通过对FRB180924爆发前和爆发后的持续观测，研究人员并未发现有来自该方向的重复爆发现象，表明FRB180924很有可能不是重复暴，而是一个单次的快速射电暴。

图2. 快速射电暴FRB 180924宿主星系的光学成像

观测上还发现FRB 180924和重复暴FRB 121102各自宿主星系的特征截然不同。FRB 180924的宿主星系是一个明亮的早型漩涡星系，恒星形成率非常低。FRB 121102的宿主星系则是一个亮度较暗、质量较小的矮星系，其恒星形成比较活跃。

此外，FRB 180924和重复暴FRB 121102两者之间的暴周环境也各不相同。FRB 121102居住在含有高度磁化等离子体的射电星云中，它的法拉第旋转量达到105 rad m-2，由旋转量和色散量推断出来的重复暴FRB 121102视线方向的平均磁场非常强，可达毫高斯的量级。而FRB 180924的旋转量只有14 rad m-2，推断出来的视线方向的平均磁场仅为纳高斯的量级。FRB 121102的周围还发现有比较弱的稳定存在的射电辐射区域，而FRB 180924并未发现有与之成协的持续射电辐射。FRB 180924和重复暴FRB 121102两者之间的种种不同观测特征表明，要么它们的前身星本身就不同，要么它们的前身星是处于不同的环境中。

根据银河系电子柱密度分布模型，研究人员推断出银河系为FRB 180924贡献的色散量为70.5 pc cm-3。通过已知的红移信息和给定星系际介质电子密度模型，研究人员还可以推断出FRB 180924宿主星系对其色散量的贡献范围为30-81 pc cm-3，远小于重复暴FRB 121102宿主星系对其色散量的贡献值（约55-225 pc cm-3）。

这一工作使得我们更加确定单次快速射电暴可作为研究星系际介质的有力探针。首先，非重复暴的探测率是重复暴的30倍，因此非重复暴可为我们提供更大的统计样本；其次，如果FRB 180924的暴周环境具有代表性的话，这类暴可较好地用于估算高红移星系际介质的密度和磁场强度；最后，如果其他快速射电暴的宿主星系和FRB 180924的宿主星系一样具有高亮度的话，相比位于亮度较暗的矮星系的快速射电暴，它们更容易在高红移处被证认。

参考文献：

1. “A repeating fast radio burst”, Spitler, L. G., Scholz, P., Hessels, J. W. T., et al., Nature 531, 202 (2016).

2. “A direct localization of a fast radio burst and its host”, Chatterjee, S., Law, C. J., Wharton, R. S., et al., Nature 541, 58 (2017).

3. “The Host Galaxy and Redshift of the Repeating Fast Radio Burst FRB 121102”, Tendulkar, S. P., Bassa, C. G., Cordes, J. M., et al., ApJ Letters 834, L7 (2017).