宇宙電波爆精確定位到太空中一個令人驚訝的位置

中央研究院天文及天文物理研究所研究成果發表，日期：2022年2月24日

天文學家找到至今最接近地球的快速電波爆，這是一種神秘的閃光源，每次閃光只持續千分之一秒。令人訝異的是，電波望遠鏡的精確測量顯示，這些爆發是發生在螺旋星系M81中的古老恆星間，而且是以一種從未預料過的方式產生。

快速電波爆是無法預測的、來自太空的極短閃光。自 2007 年首次發現它們以來，天文學家一直在努力研究它們。到目前為止，只有電波望遠鏡看到過。然而，這種只有千分之一秒的爆發能量卻是和太陽一天發出的能量一樣多。每天可以在天空中看到幾百次這種閃光，大多數都距離地球很遠，遠至數十億光年外的星系中。

在本周同時發表在《自然》和《自然天文學》期刊上的兩篇論文中，一個國際團隊提出的觀測結果讓科學家們更接近這個問題的謎底，但也同時產生了新的謎團。該團隊由 Franz Kirsten（瑞典Chalmers理工大學和荷蘭電波天文研究所ASTRON）和 Kenzie Nimmo（荷蘭ASTRON和阿姆斯特丹大學）共同領導，中研院天文所特聘研究員兼所長彭威禮、資深研究天文學家包傑夫（Geoffrey Bower）以及博士後研究林修賢為發表在《自然》的論文共同作者。

科學家們著手對 2020年1月在大熊座中發現的重複爆發源進行高精度測量。計畫主持人之一Franz Kirsten表示：「我們想尋找爆發源的線索。使用許多電波望遠鏡同時觀測，可以極其精確地鎖定爆發源在天空中的位置。這讓我們有機會看到快速電波爆所在地附近是什麼樣子。」

為了盡可能提高對目標的分辨率和靈敏度，科學家們結合了歐洲特長基線干涉網 （European VLBI Network，簡稱EVN）中望遠鏡的觀測結果，包含來自瑞典、拉脫維亞、荷蘭、俄羅斯、德國、波蘭、義大利和中國的12 個天線的資料，還加上其他幾個望遠鏡的補充資料，包括美國新墨西哥州的特大天線陣（Karl G. Jansky Very Large Array，簡稱VLA），能夠準確地找出爆發源在天空的位置。

鄰近但令人驚訝的位置

當天文學家們分析測量結果時，發現重複的電波閃光來自一個沒有人預料到的地方。他們將爆發來源追踪到鄰近的螺旋星系M81的外圍，距離我們約1200萬光年。 這是目前偵測到最近的快速電波爆發源。還有另一個驚喜 -- 該位置恰好在一個球狀星團裡，是由非常古老的恆星組成的緻密星團。

另一位計劃主持人Kenzie Nimmo認為：「在球狀星團中發現快速電波爆實在是太神奇了！這是太空中一個只能找到古老星星的地方。在宇宙更遠的地方，都是在非常年輕的恆星中找到快速電波爆。因此這個發現一定很特別！」

許多快速電波爆都是在比太陽大得多的年輕大質量恆星附近發現。在這些地方，恆星爆炸很常見，也會留下高度磁化的殘留物。科學家們開始相信，可以在稱為磁星的天體中產生快速電波爆。磁星是恆星爆炸後留下的極緻密殘留物，它們是宇宙中已知最強大的磁鐵。阿姆斯特丹大學和ASTRON的團隊成員Jason Hessels表示：「我們認為磁星是非常亮且很年輕的，絕對不會被古老恆星包圍。因此，如果我們這次看到的快速電波爆真的是來自磁星，那麼它不可能是由一顆年輕恆星爆炸形成的，一定是由其他機制產生。」

科學家們認為，這次的電波閃光來源是之前曾預測、但從未見過的：當白矮星的質量大到足以在自身重量下塌縮（collapse）時形成的磁星。Franz Kirsten解釋：「在一個緻密的球狀星團數十億年生命中，總會發生一些奇怪的事情。 這次我們認為看到了一顆不尋常的星星。」

假以時日，像太陽這樣的普通恆星會變老，變成小而緻密的明亮天體，稱為白矮星。 星團中有許多恆星是雙星系統，在星團數以萬計的恆星中，有幾顆恆星距離夠近，可以從另一顆恆星那裡吸取物質。Franz Kirsten認為，這可能導致『吸積引起的塌縮』（accretion-induced collapse）。他進一步解釋：「如果一顆白矮星能夠從它的伴星身上獲取到夠多的額外質量，它就可以變成一種密度更大的恆星，稱為中子星。 這是一種罕見的情況，但在一群古老的恆星中，這是製造快速電波爆最簡單的方法。」

有史以來最快

天文學家進一步研究觀測資料想尋找更多線索，竟發現另一個驚喜：有些閃光持續時間比預期的還要短。Kenzie Nimmo表示：「閃光在短短幾十奈秒內就會閃耀。這告訴我們，它們一定來自一個很小的空間，比足球場還小，而且大小可能只有幾十米。」

從天空中最著名的天體之一、蟹狀星雲中的脈衝星，同樣也可以看到這種很快的閃光訊號。它是西元1054年在金牛座方向看到的超新星爆炸，之後留下的微小、緻密的殘餘物。磁星和脈衝星都是不同種類的中子星：具有太陽質量的超高密度天體，體積約為一個城市大小，並且具有強磁場。「我們測量到的一些很短而且很強的訊號，就像來自蟹狀星雲脈衝星的訊號一樣。這表示我們確實看到了磁星，但在以前從未發現過磁星的地方」，Kenzie Nimmo補充道。

未來對這個系統和其他系統的觀測將有助於判斷來源是否真的是一顆不尋常的磁星，或者是其他的東西，例如不尋常的脈衝星或在黑洞近距離軌道上的緻密恆星。Franz Kirsten表示：「這些快速電波爆似乎讓我們對恆星的生存和死亡方式有了全新又意想不到的認知。 如果這是真的，它們就可以像超新星一樣，告訴我們有關恆星及其一生在宇宙中的事情。」

最後彭威禮所長總結：「多虧了研究團隊的不懈努力，成功跨越了國家、組織、領域和技術的重重阻礙，才能得到這個意想不到的關鍵發現！」

相關論文於2022年2月24日發表在《自然》。

原文來自：A repeating fast radio burst source in a globular cluster

新聞聯絡：

彭威禮所長，中央研究院天文及天文物理研究所 (Tel) 02-2366-5300，pen@asiaa.sinica.edu.tw

林修賢博士，中央研究院天文及天文物理研究所 (Tel) 02-2366-5428，hsiuhsien@asiaa.sinica.edu.tw