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2月19日 ， 正当人们热议美国火星车软着陆之际 ， 中国科学家向全世界公布了一项极具影响力的新成果 。 北京时间19日0点 ， 国际著名期刊《自然·天文学》（Nature Astronomy）在线发表了中国“慧眼”（HXMT）卫星最新观测结果：首次发现并证认了神秘的快速射电暴（FBR）来自银河系内的一颗磁星 ， 破解了快速射电暴的起源之谜！
虽然这才2月份 ， 但是这项发现几乎已经锁定了本年度天文学领域重大发现的TOP10中的一个席位 。 那么这项发现到底有多“牛”呢？这就来解读一番 。
神 秘 信 号
快速射电暴（Fast Radio Burst ， 简称FRB）是2007年发现的一种神秘的天文现象 ， 指在射电波段突然出现的瞬时爆发 。 把这个名词分解为三个关键词 ， 一个是“射电” ， 指爆发出现在无线电波段（肉眼不可见）；第二个是“快速” ， 通常持续时间仅几毫秒；第三个就是“暴” ， 是指突然出现的十分剧烈的能量释放 ， 天文学家估计1毫秒的快速射电暴平均能量相当于太阳在几天里产生的能量总和 。 有的射电暴只出现一次 ， 有的则会重复出现 。
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全天快速射电暴位置分布（来源：NASA）
然而 ， 快速射电暴的产生机制及其源头是当今天文学最大的谜题之一 。 由于它们存在极强的随机性和爆发性 ， 甚至有人认为这是宇宙中相当为高级的神秘外星文明在使用某种黑科技时所释放出来的 。 当然 ， 在绝大多数科学家眼中 ， “外星人说”恐怕只能作为最后一个选项 。 考虑到射电暴是一种能量十分集中的电磁波 ， 应当伴随着强大的磁场 ， 研究人员认为像中子星、磁星、黑洞、类星体、超新星这种极端的天体都有可能产生快速射电暴 。 于是 ， 已经先后有50多种物理模型被提了出来 。
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中子星（磁星）被认为是快速射电暴的来源之一（来源：Bing Zhang, 2020, Nature）
要弄清快速射电暴产生的根本原因 ， 关键有两点：第一是要找到其对应的天体 ， 第二是看到快速射电暴在其它电磁波段的辐射 ， 如X射线、γ射线等 ， 这样就能更好地描述其物理机制 。 自从快速射电暴被发现后至今 ， 总共只发现了约40个 ， 绝大部分为银河系外遥远的星系中 ， 始终没能找到真正的源头 。
美 丽 邂 逅
时间回到2020年4月中旬 ， 距离地球3.1万光年的一颗磁星SGR J1935+2154进入了新的活跃期 。 磁星 ， 被认为是中子星中的一种 ， 它是个极其致密的天体 ， 直径只有约20公里 ， 但质量却能达到太阳的3倍 ， 自转速度也非常快 ， 表面磁场强度为地球磁场强度的百万亿倍（1014）以上 。 这颗磁星 SGR J1935+2154 的磁场强度为就在220万亿高斯左右 。 它位于银河系中的一处超新星遗迹中 ， 自转一周仅需3.24秒 。 自从2014年被发现后不久 ， 它便引发天文学家的广泛关注 ， 因为它是最活跃的磁星之一 ， 在2015年2月、2016年5月至7月、2019年11月都有过活动记录 ， 而理论物理学家认为磁星是快速射电暴的主要候选者之一 。
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磁星的艺术想象画（来源：网络）
4月27日 ， 位于空间的“雨燕”γ射线暴探测器记录到多次软γ射线暴 ， 甚至在短短2分钟内出现了上百次的爆发 ， 其来源高度疑似银河系内的磁星 SGR J1935+2154。 收到“雨燕”的警报后 ， 全球天文学家积极行动起来 ， 纷纷把天线和空间望远镜对准了它 。 28日7时55分至8时50分 ， 短短1个小时内 ， 费米望远镜（Fermi/Gammaray Burst Monitor）记录到多达34次X射线或软γ射线的爆发 。
4月28日上午10点左右 ， 北京师范大学林琳老师向“慧眼”卫星首席科学家张双南研究员建议 ， 利用“慧眼”进行观测 。 上午11点左右 ， 中科院空间科学地面运控系统发出指令 ， 中断了“慧眼”正在进行的观测任务 ， 转而瞄准 SGR J1935+2154 ， 将极为珍贵的28.6小时的望远镜时间用于专项观测 。 就在对过去5个小时后 ， 28日晚间22时34分24秒（协调世界时14时34分24秒） ， “慧眼”就记录到一次明亮的X射线暴！
此时 ， 在地球的另一端 ， 加拿大CHIME（Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment ， 加拿大氢强度绘图实验）和美国STARE2（Survey for Transient Astronomical Radio Emission 2 ， 瞬现源天文射电巡天）两个实验项目同时捕捉到了一个亮度极高的快速射电暴 ， 被命名为FRB 200428 。
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CHIME射电望远镜（来源：CHIME）
X射线是比可见光频率高得多的电磁波 ， 而射电是比可见光频率低很多的电磁波 。 虽然能级差异巨大 ， 但是两者的爆发可能有着千丝万缕的联系 ， 是否会来源于同一天体呢？
水 落 石 出
CHIME团队在报告中指出 ， 这次的爆发在间隔29毫秒的时间内出现了2个明显的波峰 ， 宽度分别为0.585毫秒和0.335毫秒 。 而在同一时间“慧眼”卫星监测到的高能、中能、低能三个能级的X射线流量中也出现了明显的波峰 。 更重要的是 ， 双峰的结构、形态、时间间隔完全一致！这点也被同时观测的俄罗斯的KONUS-WIND探测器证实 。 说明X射线暴和快速射电暴起源于同一次爆发 。
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FRB 200428 的双峰与“慧眼”观测到的X射线双峰（来源：The CHIME/FRB Collaboration, 2020, Nature; C. K. Li et al. 2021, Nature Astronomy; 中科院高能物理研究所）
由于X射线与射电能量不同 ， 射电信号在行径过程中容易受到星际物质的影响 ， 速度慢于X射线 ， 会出现一定的延迟现象 。 而实际观测表明 ， “慧眼”观测到的X射线比CHIME和STARE2观测到的快速射电暴 FRB 200428 早8.6秒出现 ， 与其色散延迟的预期完全一致 。 这进一步支持了两者有着相同物理来源的判断 。
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快速射电暴 FRB 200428 的双峰晚于X射线双峰8.6秒（来源：中科院高能物理研究所）
不仅如此 ， “慧眼”卫星还绘制了X射线能谱 ， 确定该事件不符合热辐射特征 。 例如白炽灯、我们人体、恒星都可以被认为是一个热辐射源 ， 可以使用普朗克定律、斯蒂藩-玻耳兹曼定律等进行描述 。 然而很许多天体 ， 如中子星、类星体、星际分子射电源的辐射谱形等特征与热辐射有着明显区别 ， 它们被称为非热辐射源 。 而非热辐射恰恰是快速射电暴的特征 ， 所以这更加肯定了两个事件的必然联系 。 但是非热X射线辐射在磁星中并不多见 。
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“慧眼”卫星观测到非热辐射X射线能谱（来源：C. K. Li et al. 2021, Nature Astronomy）
我们在前文中提到“弄清快速射电暴产生的根本原因”的两个关键中的第二点已经清楚了 。 那么第一点 ， 它来自哪里 ， 能不能得到确认呢？
CHIME团队与STARE2团队都对快速射电暴 FRB 200428 做了定位 。 然而它们都是做大天区扫描或巡天观测的 ， 无法精确定位到很小的范围 ， 只能做出一个推断：这样强度的射电暴应当是银河系内的 ， 而在捕捉到快速射电暴信号的时候 ， 视场中最有可能的“活跃分子”就是磁星 SGR J1935+2154 。
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三个探测器视场及对磁星 SGR J1935+2154 的定位：蓝色椭圆为STARE2 ， 红色圆圈为CHIME ， 白色等高线为“慧眼”卫星 ， 红色十字为磁星 SGR J1935+2154 已知的位置（来源：C. K. Li et al. 2021, Nature Astronomy）
虽说可能性极大 ， 但毕竟还未实锤 。 相较而言 ， “慧眼”卫星则具备一项特异功能 。 虽然它是X射线望远镜 ， 虽然它不是可成像的X射线望远镜 ， 但是它具有独特的准直器设计 ， 可以对X射线暴进行高精度定位 。 准直器是什么原理呢？打一个不是太准确的比方 ， 想象一下你用一根细细的试管去接花洒放出来的水 ， 一定是将试管口对准花洒接到的水最多 ， 试管口越倾斜 ， 接到的水越少 。 准直器就可以通过X射线高能粒子在不同方向上的流量 ， 运用数学方法倒推出源的方向 。 “慧眼”卫星找到的位置与 SGR J1935+2154 只差了3.7角分 ， 相当于1/8满月的宽度 ， 并且当时它的视场中只有这一个X射线源 。 除“慧眼”外 ， 欧洲INTEGRAL卫星（International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory ， 国际γ射线天体物理实验室）也独立定位了辐射源 。 至此 ， 产生2020年4月28日这次X射线暴和快速射电暴的源头被牢牢锁定 ， 就是磁星 SGR J1935+2154 。
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红框标注的地方为“慧眼”卫星上的准直器（来源：中科院高能物理研究所）
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“慧眼”卫星准直器原理（来源：中科院高能物理研究所）
证据链完整 ， 案件告破！
意 义 深 远
这是人类首次确认了快速射电暴的起源天体 ， 也是首个起源于银河系内的快速射电暴 。 对于理解快速射电暴的物理本质 ， 无疑是个重要的里程碑 。
通常我们对一个现象的了解 ， 要经过从无到有、由浅入深、从现象到本质的过程 。 2007年快速射电暴被发现后 ， 天文学家花了10年左右逐渐认识了它们的特征和规律 ， 但是对它们的来源和机制莫衷一是 。 对 FRB 200428 及其后续观测 ， 尤其是“慧眼”卫星证认了对应天体 ， 让我们第一次确切地知道了快速射电暴的来源 ， 至少是明确了其中一个来源 。 同时 ， “慧眼”还将X射线暴与快速射电暴关联起来 ， 提供了高、中、低三种能级的数据 ， 对很多相关物理模型做出了明确的限制 ， 可以说给未来的研究方向指出了一条明路 。 也正因为此 ， 关于 FRB 200428 的相关研究成果 ， 在去年就已经被英国《自然》杂志和美国《科学》杂志分别评为年度十大科学发现之一和十大科学突破之一 。
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“慧眼”卫星（HXMT）效果图（来源：网络）
这次的观测发现再一次彰显了现代天文学全球化、多波段、联合作战的特征 ， 也反映出粒子物理学（又称高能物理）在天体物理研究中的作用越来越明显 。 可以预见 ， 未来在对中子星、黑洞、类星体、引力波、暗物质等宇宙极端天体、极端现象的研究中 ， 还会看到更多的粒子物理的身影 。
【快速射电暴|从神秘信号到水落石出，人类首次证实快速射电暴来自磁星】让我们倍感欣慰的是 ， “慧眼”卫星在这次的观测发现中起到了“一锤定音”的作用 ， 极大地提振了中国现代天文学在国际上的影响力 。 “慧眼”卫星是我国第一颗空间X射线天文卫星 ， 是中国科学院空间科学先导专项四颗卫星之一（另外三颗分别是“悟空”暗物质卫星、“墨子号”量子通信试验卫星和“实践十号”卫星） ， 于2017年6月发射升空 ， 已在轨稳定运行近4年 。 目前卫星状态良好 ， 延长寿命是板上钉钉的事了 ， 今后必然还会产生更多有价值的科研成果 。
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增强型X射线时变与偏振空间天文台（eXTP）效果图（来源：网络）
你以为这样就结束了吗？还有更值得期待的呢！在不太遥远的将来 ， 中国还将发射新一代X射线望远镜eXTP（全名是增强型X射线时变与偏振空间天文台） ， 各项指标都将达到国际领先水准 。 毫无疑问 ， 届时它会成为全球“旗舰级”天文观测设备之一 。 你说牛不牛？
参考资料：
[1] Insight-HXMT Identification of a non-thermal X-ray burst from SGR J1935+2154 and with FRB 200428
(https://doi.org/10.1038/s41550-021-01302-6)
[2] A bright millisecond-duration radio burst from a Galactic magnetar
(https://doi.org/10.1038/s41586-020-2863-y)
[3] A fast radio burst associated with a Galactic magnetar
(https://doi.org/10.1038/s41586-020-2872-x)
[4] Bochenek, Christopher D., et al. STARE2: Detecting Fast Radio Bursts in the Milky Way
(https://doi.org/10.1088/1538-3873/ab63b3)
[5] The Physical Mechanisms of Fast Radio Bursts
(https://doi.org/10.1038/s41586-020-2828-1)
[6] The radio/X-ray burst from SGR 1935+2154: radiation mechanisms and the possible QPOs
(https://arxiv.org/abs/2006.14503)
[7] NASA Missions Help Pinpoint the Source of a Unique X-ray, Radio Burst
(https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/nasa-missions-help-pinpoint-the-source-of-a-unique-x-ray-radio-burst)
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