如何在3秒内定位一次宇宙的“脉动”?

作者: 邱昊

来源: 赛先生

发布日期: 2019-06-29 18:46:52

本文介绍了快速射电暴(FRB)的发现及其定位技术的重大意义,特别是通过澳大利亚平方公里阵探路者(ASKAP)望远镜实现的一次超高精度定位,揭示了FRB的宇宙起源和可能的物理机制。

悉尼时间2018年9月25日的凌晨,一条提醒消息出现在了探测系统的频道上。通过确认,我们发现探测到了一个快速射电暴(FRB180924)。它位于距离我们大约40亿光年的星系DES J214425.25-405400.81之中。超高精度定位甚至让我们确认,这个FRB偏离星系的中心大约13000光年。

今年年初,快速射电暴(FRB)以“外星人信号”的身份当了一回网红,从而走进公众的视野。作为一种来自宇宙深处的强大脉冲信号,FRB一直吸引着天文学家的注意。最近,位于澳洲的望远镜又有了关于FRB的全新成果——找到了单次FRB产生的位置。这一成果在6月28日发表于美国著名学术期刊《科学》(Bannister et al. 2019 Science)。

快速射电暴(Fast Radio Burst,FRB)是一类毫秒级别的超高亮度无线电脉冲信号。从2007年发现至今,世界各地的射电天文学家已经观测到了来自宇宙各个方向的70多个FRB事件,其中有些FRB的爆发亮度甚至超过了我们银河系内已知最亮的射电脉冲源——蟹状星云内脉冲星的亮度。

天文学家估算,FRB爆发一瞬间的能量可以超过太阳10年所提供的能量总和,这似乎预示着其应该与双中子星并合或超亮超新星等事件有着千丝万缕的联系。因此,FRB引起了研究各种高能爆发现象的天文学家的极大兴趣。

然而,即使发现了这么多FRB,仍然有一个致命的问题限制着大家对它的进一步了解,那就是寻找其他波段观测并定位对应星系。虽然我们并不能看见这些遥远星系的内部,但我们通过对FRB所在星系的观测可以推测该星系的恒星形成率、年龄等性质,从而进一步猜想FRB的爆发环境是什么样的。

为实现捕捉非重复FRB的位置,天文学家提出了两个极具挑战性的改进方案:其一是扩大观测天区的面积;另一个方案则是通过编写计算机算法实现自动实时脉冲检测。探测最直接的需求是一个拥有大视场的望远镜。加拿大的氢强度探测试验(CHIME)拥有超大的240平方度的视场,表现也确实不俗——它在去年8月份短暂的一个月试验运行中就至少确认了13个FRB,甚至还探测到了一个重复出现的FRB。

笔者所参与的澳大利亚平方公里阵探路者(ASKAP)的实时暂现源探测(CRAFT)项目就是在这样的背景下诞生的。ASKAP是由36个12米天线组成的大型巡天望远镜,其最长基线达到了6千米,每个天线上都装有独特的相位馈源阵列(Phased Array Feed, PAF),这种形状似光学数码相机探测器的装置使得天线能同时观测30平方度的天区并着重于高分辨率的成像。

实现定位技术将极大地改善我们对宇宙的了解。通过定位FRB所在星系,我们可以估算FRB和地球之间的距离。结合FRB信号的各种性质,我们也可通过其色散度、波形判断电磁波信号在穿越宇宙中的气体、等离子体介质的传播过程中,是否因磁场方向、气体密度和不均匀的气体分布而发生改变(比如散射和偏振)。这些信息将帮助我们了解这个方向上的星际介质和星系际介质的密度、结构和磁场方向。

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