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神秘的快速射电爆发 帮科学家揭秘另一个宇宙秘密

时间:2022-07-14 13:34:48

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神秘的快速射电爆发 帮科学家揭秘另一个宇宙秘密

图显示了快速射电爆发FRB 181112从遥远的宿主星系到达地球的路径。澳大利亚181112平方公里阵列探路者号射电望远镜确定了该探测器的位置。ESO的甚大望远镜(VLT)的后续观测显示,射电脉冲在接近地球的途中穿过了一个巨大星系光晕。这一发现使天文学家能够分析无线电信号,寻找有关星系光晕气体性质的线索。

在太空深处,被称为快速无线电爆发(FRBs)的神秘信号流向地球。

图:对于我们所看到的大多数FRB来说,快速射电爆发的宿主星系仍然是神秘的,但其中一些已经被探测到了它们的宿主星系。FRB 121102的重复爆发极为极化,其宿主被鉴定为一个具有活跃星系核的矮星系。也许有意思的是,它内部的恒星,平均来说,重元素比我们银河系中的恒星要少得多。这些FRB持续时间不超过毫秒,起源于超遥远的星系,有时还会重复。

图:丹·桑顿(曼彻斯特大学)发现的FRB 110220快速无线电爆发瀑布图。这张图片显示了800多个射频通道(y轴)的功率随时间(x轴)的变化,并显示了人们期望的银河系和银河系外起源源的特征扫描。FRB可以是单个或多个离散的脉冲,持续几十微秒到几毫秒,但不再是继续。尽管科学家们自发现以来对它们进行了深入的研究,但它们的起源仍然神秘莫测。

图:宇宙中充满了2万亿个星系,每个星系平均包含数千亿颗恒星,未来还会有无数的恒星出现。 然而,为了使起源于其中一个的FRB穿过前景中的另一个星系,这两个星系需要很好地对齐。同时,估计有2万亿个星系聚集在我们可观测的宇宙中。

图:对于起源于观测到的FRB 181112主星系的星系的FRB,可以计算出另一个星系的一个弧秒(度的1/3600)内具有随机关联的概率。 这种关联的典型概率在0.25%到0.40%之间,中位数为0.31%:大约为300分之一。 我们显然很幸运,因为人类尚未在总共300多个FRB上发现任何地方。由于FRB要穿越的距离非常之远,每一个FRB都有可能穿越一个星系。

图:11月,快速无线电爆发FRB 181112到达了地球,但没有经过左上角更亮的前景星系的光晕。快速无线电爆发FRB 181112在距银河系中心约95,000光年的距离处穿过星系光晕。FRB 181112发出每个不到40微秒的多个脉冲,成为第一个截取星系光环的脉冲。

这张图显示了科学家是如何确定仙女座星系光晕的大小的:通过观察遥远类星体的吸收特征,它们的光要么穿过,要么没有穿过围绕仙女座的光晕。在光晕存在的地方,它的气体吸收了一些类星体的光,并使其在很小的波长范围内变暗。通过测量在这个特定范围内亮度的微小下降,科学家可以知道我们和每个类星体之间有多少气体。为更遥远的星系这样做不仅需要其他技术,还需要偶然的排列。光晕有它们自己的谜团,里面充斥着绵延数十万光年冷却、富集的气体。

图:半人马座A星系中有一个尘土飞扬的盘,但主要由椭圆形和一个卫星光环组成:这是一个高度演化的星系的证据,它在过去经历过多次合并。它是离我们最近的活动星系,但也是加速远离我们的本地星系群。每个星系在光晕中正常物质的特性方面应该是唯一的,但按星系类型、年龄、质量进行广泛的分类。这种气体是为未来恒星形成提供燃料所必需的,但其物理性质仍在很大程度上未被探索明白。

图:一个遥远的类星体将有一个很大的凸点(右)来自其氢原子的莱曼级数跃迁。在左边,出现了一系列被称为森林的线条。这些凹陷是由于中间气体云的吸收,而且凹陷的强度确实对许多性质造成了限制,例如暗物质的温度,这必须是冷的。然而,这也可以用来约束和/或测量任何介入银河晕的性质,包括它们内的气体。先前的吸收特征显示在这些光晕中有大量的、冷的(约10000 K)低密度气体。

图:FRB181112来自近60亿光年远的地方。然而,它穿过了一个离我们近十亿光年的前景星系的光晕:这是一个罕见的事件,距离我们这么远的FRB发生的概率只有0.3%。垂直线约为15 GPC(约50亿光年),代表FRB信号穿过前景星系暗物质(和正常物质)晕的位置。但是像总晕质量和热(~1000000+k)气体密度这样的性质还没有确定。

图:截至,已知的快速无线电爆发的位置,包括4个具有可识别宿主星系的位置,帮助证明了这些天体的星系外起源。其余的无线电辐射显示星系源的位置,如气体和尘埃。我们接收的FRB的吸收特征、极化和脉冲加长可以告诉我们关于我们银河系光环的信息,但偶然接近一个前景的星系外天体,是对我们附近宇宙中存在的外星系光晕的更好探测。当FRB181112的脉冲穿过这个星系的光晕时,它们竟然没有受到影响。

这次爆发为这个类似银河系的星系揭示了一个宁静的光晕,其特征是:

非常低密度的气体,没有湍流,无团块,以及可忽略的磁化

图:在寻找自由电子密度(x轴)和平行于FRB传播方向(y轴)的磁场时,科学家测量了到达辐射的许多特性。唯一的限制是:磁场强度不能超过行星地球表面产生的磁场强度的百万分之一,也不能超过典型电冰箱磁铁的百万分之一。这些性质对所有银河系一样的星系都是普遍的吗?

图:在一个暗物质光晕中,正常物质向中心聚集,光晕可能会持续数百万光年。当密度达到足够大时,无论是由于引力坍缩,还是由于气体进入盘/核的漏斗,气体都会触发内部新恒星的形成。有一个前景信号通过另一个星系是一个罕见的,这样事件发生概率只有三百分之一。更多的观察,再加上额外的FRB,就能找到答案。

图:快速射电爆发为21世纪的天文学开辟了一个全新的领域。这一发现标志着爆发首次穿过前景星系,为我们提供了它内部晕气性质的指标。

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