神秘宇宙快速射电暴到底来自何处？磁星可能要为此事负责

腾讯太空 文/ 王维扬 中国国家天文台

近日，一颗活跃的磁星SGR 1935+2154吸引了天文学者的目光，全世界多台望远镜对它进行了多波段的观测。2020年4月28日，加拿大氢强度测绘实验（CHIME）与美国的暂现射电天体辐射搜寻（STARE2）探测到了来自这颗磁星类似于快速射电暴（FRB）的射电暴发，同时，多台X射线空间望远镜也探测到了相关对映体，这一系列重大发现或将剑指FRB的物理起源。

何谓磁星？

银河系深处，往往潜伏着一些凶猛的“野兽”，磁星就是其中之一。顾名思义，磁星是一类磁场极强的中子星，这一概念于1992年由C.Thompson及R.Duncan首先提出。普通脉冲星表面的磁场约为10的12次方高斯，相当于地球实验室制造最强磁场的一百万倍，而磁星的磁场比中子星还要强100倍甚至更高。这些“野兽”的磁层中暗藏着巨大的能量，时不时地就会释放强大的X射线甚至软伽马射线暴，似乎在警示人们不要靠近它们。

理论推算，磁星的年龄在几百到几十万年之间，它们就像脉冲星家族中一群年轻力壮的小伙子，浑身充满使不完的能量。在目前已知的脉冲星有2000多颗，只有30左右是磁星，而能够发出射电辐射的磁星却只有6个。特别的是，磁星的射电脉冲往往伴随着X射线暴发的产生。频繁地辐射X射线以及软伽马射线暴是活跃的特征。根据磁星的理论模型，当磁星发生星震时，壳层的活动使外磁层发生扭曲（见图1），并释放强大到难以想象的能量来支持这些高能辐射。

图1.左图为Thompson提出的扭曲磁层模型；右图为广州塔。广州塔结构可以形象地描述扭曲磁层模型的磁力线。

银河系的磁星类FRB事件

快速射电暴（Fast Radio Bursts,FRB）是一种来自银河系外的神秘现象，它们的持续时间大约为几个毫秒，瞬时光度却能达到太阳的几百万倍甚至更高。自2007年FRB被发现以来，它们的起源仍是个未知之迷。科学家们提出灾难性事件，如双致密天体（黑洞，中子星，白矮星）并合，超新星爆发等作为FRB的起源。然而，重复暴的发现使人们意识到简单的灾难性事件是不够的。致密的高速旋转的中子星，特别是具有强磁场的磁星，随即成为强有力的候选者，近些年围绕中子星产生FRB的研究也如火如荼地进行着。

一颗名为SGR 1935+2154的磁星在今年4月初进入了活跃期，吸引了全世界无数射电望远镜进行跟踪观测。4月28日这天，加拿大的氢强度测绘实验（CHIME）以及美国的暂现射电天体辐射搜寻（STARE2）探测到了来自这个磁星的毫秒量级宽度的射电辐射，其特征结构与FRB极为相似（见下图2）。这为揭示FRB的起源，迈进了历史性的一步！同时，多台X射线空间望远镜，如Insight-HXMT、INTEGRAL、Konus-wind等（见下图3），都在同一时间段发现了这个射电爆发的高能对映体。X射线波段同样展现为双峰结构，其间隔时间与射电几乎相同为30毫秒左右。随后，中国天眼望远镜（FAST）也进行了跟踪观测，没有在未来几天发现明亮的射电爆发，这表明磁星的类FRB射电辐射可能只是一些偶然发生的小概率事件。

重复的FRB中经常可以发现一些奇怪的子脉冲结构，这些子脉冲往往具有不同的中心频率且在不同时刻抵达我们的探测器，看上去就好像一个单脉冲随着时间的演化从高（低）频漂移到低（高）频。而这样特殊的结构首次在磁星的射电爆发中被发现。这种频率的漂移现象，很可能来自于中子星磁层内零星的火花放电过程，不同位置的曲率辐射具有不同的频率，抵达探测器的时间也就不同。

图2.左图为FRB 180916.J0158+65某个事件的时间-频率结构（arXiv:2004.02862）；右图为4月28日CHIME望远镜观测SGR 1935+2154的时间-频率特征（arXiv:2005.10324）。

尽管这个不寻常的磁星射电暴具有FRB类似的时间-频率结构，然而它的光度比目前最弱的FRB依然低了大约100倍。如果磁星真的能够支持FRB的辐射，它需要某种极其剧烈的能量释放过程。一种可能的解释是磁星依靠火花放电在磁层中产生正负电子对，正、负电子在磁层中加速电场分离并沿着磁力线运动产生曲率辐射；另一种方式是磁星通过耀发产生激波与磁星风云中的等离子体碰撞，从而产生脉泽。

总之，我们距离揭秘FRB的真相更近了一步，FRB究竟来自于何种辐射机制，仍需科学工作者们砥砺前行，不断探索。我们看到，中国的两台大型天文设备Insight-HXMT以及FAST在本次观测中发挥了重要作用，标志着中国在天文前沿课题研究中拥有强大实力。我们期待，不久的将来，FRB神秘的面纱终被揭开，也期待更多更有意思的天文发现。（编辑：乔辉）