誰在中子星旁邊放煙花？快速射電暴尋根記
藝術家描繪的中子星插圖展現了其在磁場環境中發射的無線電波束。這些波束穿越銀河系內密集的等離子體時被分裂為多條路徑，從而引發觀測到的信號亮度出現閃爍現象（來源：MIT News）
快速射電暴（FRB）是由極度緊湊的天體爆發釋放的短暫且強烈的射電波。這種千分之一秒的「宇宙煙火」儘管轉瞬即逝，卻攜帶著巨大的能量，足以在短時間內點亮整個星系。
自 2007 年首次發現以來，天文學家已探測到數千個 FRB，其發源地範圍從銀河系內到遙遠宇宙深處，甚至距離地球達 80 億光年。然而，這些耀眼的宇宙射電暴的形成機制仍不明確。
如今， MIT 的天文學家通過一種全新方法，首次確定了至少一個 FRB 的起源。這項技術或許還能推廣應用於其他 FRB 的研究。根據近期發表在 Nature 上的研究，科學家們聚焦於 FRB 20221022A——一個源自距離地球約 2 億光年的星系的 FRB。
通過分析射電信號的「閃爍效應」，研究團隊進一步精準定位了其爆發源。他們研究了 FRB 亮度的變化，確認爆發區域靠近信號的來源地，而非一些模型預測的更遠位置。
研究結果表明，FRB 20221022A 的爆發發生在距離一個旋轉中子星不到 1 萬公里的區域內。這一距離甚至小於紐約和新加坡之間的距離。在如此近的範圍內，這次爆發很可能起源於中子星的磁層——一個高度磁化並緊貼該超緊湊天體的區域。
這一發現首次明確證明 FRB 可以起源於磁層，即靠近極度緊湊天體的強磁化環境。
「這些中子星周圍的磁場幾乎達到了宇宙可生成的極限。」該研究第一作者、MIT 卡夫里天體物理與空間研究所博士後 Kenzie Nimmo 表示，「關於如此極端的等離子體中是否可能釋放出明亮的射電輻射，科學界存在許多爭論。」
MIT 物理學副教授 Kiyoshi Masui 補充道：「在這些高磁化的中子星周圍，強磁場會撕裂原子結構。令人興奮的是，我們發現這些磁場中儲存的能量會發生扭曲和重新配置，從而釋放出射電波。這些射電波穿越宇宙後被我們探測到。」
這項研究的 MIT 合作者還包括 Adam Lanman、Shion Andrew、Daniele Michilli 和 Kaitlyn Shin，以及來自多個機構的合作研究人員。
電暴規模
近年來，由於加拿大氫強度測繪實驗（CHIME）的貢獻，FRB 的探測數量顯著增加。CHIME 是一組由四個大型固定接收器組成的射電望遠鏡陣列，這些接收器形狀如半管，專門調諧以檢測 FRB 高度敏感範圍內的射電信號。自 2020 年以來，CHIME 已經探測到數千個來自宇宙各處的 FRB。
儘管科學家普遍認為這些射電暴源自極度緊湊的天體，但其具體驅動機制仍存爭議。一些模型認為，FRB 源於緊湊天體周圍湍動的磁層；而另一些模型則提出，這些射電暴可能由更遠處的衝擊波產生，並向外傳播。
為區分這兩種可能的起源並確定 FRB 的具體生成位置，研究團隊借助了「閃爍效應」。這一效應類似於星光穿過星系氣體等介質時的現象。星光在穿過氣體時路徑彎曲，使得觀測者看到的星星似乎在閃爍。通常光源越小或越遙遠，其閃爍越明顯；而較大或較近的光源，路徑彎曲較少，因此不會顯著閃爍。
基於這一原理，團隊推測，通過估算 FRB 的閃爍程度，可以判斷其起源區域的相對大小。如果區域較小，表明射電暴離其源頭更近，更可能來自磁性湍動的環境；而較大的區域則意味著射電暴離源頭更遠，支持其由遠處衝擊波產生的理論。
這一創新方法為探索 FRB 的起源提供了全新工具和思路，也為理解這些神秘的宇宙現象揭開了新的篇章。
閃爍模式
為了驗證理論，研究人員對 FRB 20221022A 展開了詳細研究。這是 2022 年由 CHIME 探測到的 FRB，持續時間約兩毫秒，在亮度上屬於普通的 FRB。然而，麥吉爾大學的研究合作者發現其具備獨特特徵：爆發光高度極化，極化角度呈現平滑的 S 形曲線。這一特性被解讀為發射源正在旋轉的證據，類似特性此前僅在高度磁化的旋轉中子星中觀測到。
這是首次在 FRB 中觀測到類似極化特徵，暗示信號可能來源於中子星附近。這一發現由麥吉爾團隊近期發表在 Nature 的論文中。
MIT 研究團隊意識到，若 FRB 20221022A 確實來源於中子星附近，其起源可通過閃爍效應加以驗證。在新研究中，Nimmo 和團隊分析了 CHIME 的數據，發現信號的亮度存在劇烈變化，顯示出明顯的閃爍現象。進一步分析確認，望遠鏡與 FRB 之間存在某種彎曲並過濾射電波的氣體。團隊定位這些氣體的位置，發現部分閃爍是由 FRB 所在星系內的氣體引發的。這些氣體如天然透鏡般放大了 FRB 的發射源區域，研究團隊由此估算出其爆發區域寬度僅約1萬公里。
「這表明 FRB 可能離其源頭僅數十萬公里。」 Nimmo 解釋道，「這一距離極其接近，而如果信號起源於衝擊波，其距離預期將超過數千萬公里，且不會觀察到閃爍效應。」
Masui 補充道：「從距離 2 億光年外定位到 1 萬公里範圍內，類似於在月球表面測量一根僅寬 2 納米的 DNA 雙螺旋，涉及的尺度範圍令人驚歎。」
MIT 團隊的結果與麥吉爾團隊的發現相結合，排除了 FRB 20221022A 來源於緊湊天體外圍的可能性，首次明確表明 FRB 可以起源於中子星極近距離的高度混亂磁場環境。
「這些爆發頻繁發生，CHIME 每天都能探測到幾個。」 Masui 說道，「FRB 的起源方式和位置可能差異極大，而這種閃爍技術將成為揭示這些現象背後多種物理機制的關鍵工具。」
麥吉爾大學的共同作者 Ryan Mckinven 補充：「極化角描繪的模式與銀河系內脈衝星的特性驚人相似，最初我們擔心該源可能被錯誤分類為 FRB。然而，通過光學望遠鏡的數據確認，該 FRB 確實來源於數百萬光年外的星系。」
「極化測量是探測這些遙遠來源的有限工具之一。」 Mckinven 解釋道，「這一發現或將激發對其他 FRB 類似行為的研究，並推動理論研究以解釋其極化信號的差異。」
這項研究得到了包括加拿大創新基金、多倫多大學丹恩拉普天文學與天體物理研究所、加拿大高級研究院、麥吉爾大學 Trottier 空間研究所及不列顛哥倫比亞大學等多個機構的支持。
原文鏈接：
https://news.mit.edu/2025/mit-scientists-pin-down-origins-fast-radio-burst-0101
