探尋FRB起源：脈沖極亮X射線源是否當(dāng)選？

2007年，科學(xué)界首次發(fā)現(xiàn)快速射電暴（Fast Radio Bursts, FRBs），這是一類神秘的宇宙無(wú)線電信號(hào)。它們持續(xù)時(shí)間極短，卻能釋放出驚人的能量，相當(dāng)于太陽(yáng)一天甚至一年的總釋放量。這種極端的能量釋放令天文學(xué)家們癡迷不已，不斷推測(cè)其起源：它們是否來(lái)自超新星爆發(fā)？是否源于黑洞合并？又或者它們是否與“外星文明”有關(guān)？

隨著研究的不斷深入，脈沖極亮X射線源（Pulsing Ultra-Luminous X-ray sources，PULX）成為了科學(xué)家持續(xù)關(guān)注的潛在起源之一。它們隱藏在宇宙深處，是一類極其神秘的天體。令人驚嘆的是，它們能夠釋放出超過(guò)理論極限的X射線能量。

那么，PULX會(huì)不會(huì)就是神秘的快速射電暴（FRB）的“源頭”？帶著這個(gè)大膽的疑問(wèn)，我們團(tuán)隊(duì)（中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)脈沖星團(tuán)組）聯(lián)合國(guó)內(nèi)外科研團(tuán)隊(duì)展開(kāi)了一場(chǎng)“沉默獵手”的搜尋之旅。近期，相關(guān)研究成果發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志》上。

FAST出動(dòng)：靜默中搜尋“暴風(fēng)”

PLUX是什么？為什么我們猜測(cè)它可能是FRB的起源呢？實(shí)際上，它是一種具有超強(qiáng)X射線輻射能力的致密雙星系統(tǒng)，由中子星和它的伴星組成。

中子星是大質(zhì)量恒星超新星爆發(fā)后的殘骸，其質(zhì)量通常為1.4-2.0個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，但半徑只有約10公里，是宇宙中最致密的天體之一。它主要由中子構(gòu)成，內(nèi)部密度可達(dá)10的17次方千克每立方米，相當(dāng)于把整個(gè)珠穆朗瑪峰壓縮到方糖大小。由于極端的引力和磁場(chǎng)環(huán)境，中子星常常伴隨高速自轉(zhuǎn)和強(qiáng)烈的輻射輸出。其超強(qiáng)的X射線亮度，提示可能存在“超Eddington吸積”的奇特現(xiàn)象，即超過(guò)Eddington吸積極限（輻射壓力與引力達(dá)到平衡時(shí)的最大穩(wěn)定吸積速率）。

所以，我們從PLUX的極端磁場(chǎng)與等離子體環(huán)境、物質(zhì)的堆積與突然釋放、高能環(huán)境觸發(fā)機(jī)制以及與FRB的觀測(cè)一致性等幾方面猜測(cè)PLUX可能是FRB尤其是重復(fù)FRB的源頭。

PULX產(chǎn)生FRB的示意圖

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

為了驗(yàn)證PULX是否真是FRB的制造者，我們團(tuán)隊(duì)展開(kāi)了一場(chǎng)宇宙“偵探”行動(dòng)，對(duì)8個(gè)典型的PULX系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的射電觀測(cè)。

FAST（Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope），即“500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡”，是中國(guó)建造的世界最大、最靈敏的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，被譽(yù)為“中國(guó)天眼”。它可以像捕捉宇宙風(fēng)聲一樣，監(jiān)聽(tīng)來(lái)自數(shù)十億光年外的微弱電波，是研究脈沖星和快速射電暴的最佳工具之一。

我們利用FAST，并結(jié)合澳大利亞Parkes望遠(yuǎn)鏡，覆蓋了不同的軌道相位，希望捕捉到哪怕一次“短暫心跳”。使用“單脈沖搜索+周期搜索”的聯(lián)合策略，我們?cè)?–5000秒差距·每立方厘米的色散量范圍內(nèi)進(jìn)行了全面搜索，結(jié)果卻令人意外：這些PULX系統(tǒng)竟然沒(méi)有發(fā)出任何明顯的射電脈沖信號(hào)！

沉默中的啟示：科學(xué)探索的另一種答案

盡管未能直接探測(cè)到信號(hào)，但這項(xiàng)研究卻具有極高的科學(xué)價(jià)值。我們認(rèn)為，這可能意味著即便PULX能產(chǎn)生FRB，但其頻次極低，或者其激烈的吸積風(fēng)（是指由高速吸積過(guò)程驅(qū)動(dòng)的強(qiáng)烈物質(zhì)外流，通常以高溫等離子體形式從吸積盤(pán)向外噴射，速度可達(dá)上千公里每秒）、磁場(chǎng)環(huán)境使信號(hào)根本無(wú)法逃逸。

我們還給出了每個(gè)目標(biāo)的射電流量密度上限，這一數(shù)值直接反映了儀器和觀測(cè)的探測(cè)閾值，即在本次觀測(cè)靈敏度下仍未探測(cè)到信號(hào)時(shí)，所能排除的最大可能信號(hào)強(qiáng)度。這對(duì)現(xiàn)有的PULX–FRB模型提出了嚴(yán)格的觀測(cè)約束：結(jié)合觀測(cè)靈敏度、時(shí)間覆蓋率和理論預(yù)測(cè)，我們能夠排除一部分參數(shù)范圍（例如過(guò)高的爆發(fā)頻率、過(guò)大的射電輻射功率），從而限制理論模型的可行空間。這項(xiàng)研究不僅為“FRB起源”劃定了邊界，也為“雙星起源理論”提供了重要觀測(cè)證據(jù)。

流量密度與脈沖寬度的參數(shù)空間

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[2]）

PULX和FRB的探索，不只是宇宙“謎題解鎖”的一部分。在這些致密天體身上，我們能看到極端引力、強(qiáng)磁場(chǎng)和高能等離子體的復(fù)雜物理過(guò)程。它們是天文學(xué)、等離子體物理、廣義相對(duì)論和引力波物理交匯的“天然實(shí)驗(yàn)室”。而FAST的強(qiáng)大探測(cè)能力，也正逐步揭示宇宙中越來(lái)越多“不為人知的低語(yǔ)”。

仰望星空，科學(xué)永不停歇

為揭開(kāi)FRB神秘的面紗，我們團(tuán)隊(duì)正不懈努力，追尋來(lái)自遙遠(yuǎn)宇宙的微弱低語(yǔ)。這些毫秒級(jí)的強(qiáng)烈射電爆發(fā)，攜帶著宇宙中極端天體與時(shí)空環(huán)境的珍貴信息，盡管轉(zhuǎn)瞬即逝，卻能為我們照亮探尋宇宙未知的路。

未來(lái)，我們計(jì)劃依托中國(guó)天眼FAST的超高靈敏度，并期待能夠結(jié)合正在建設(shè)中的奇臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡（QiTai radio Telescope, QTT）——口徑達(dá)110米、具備優(yōu)異機(jī)動(dòng)性和超強(qiáng)性能的射電望遠(yuǎn)鏡，進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)FRB的實(shí)時(shí)捕獲與精細(xì)成像能力。它們將如同宇宙間的“耳朵”和“眼睛”，協(xié)同監(jiān)聽(tīng)和定位來(lái)自數(shù)十億光年之外的神秘脈沖信號(hào)。

這一探索不僅將推動(dòng)我們理解FRB的起源機(jī)制，如磁星風(fēng)暴、黑洞吸積、等離子體透鏡等極端物理過(guò)程，也可能為暗能量分布、宇宙結(jié)構(gòu)演化甚至新物理定律提供線索。每一個(gè)被捕捉的FRB信號(hào)，都是宇宙深處發(fā)來(lái)的“加密電報(bào)”，而每一次破譯突破，都是人類對(duì)宇宙認(rèn)知邊界的推進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1]Sridhar, Navin, et al. “Periodic fast radio bursts from luminous X-ray binaries.” The Astrophysical Journal 917.1 (2021): 13.

[2]Bai, Juntao, et al.“Search for Fast Radio Bursts and radio pulsars from pulsing Ultraluminous X-ray Sources.”The Astrophysical Journal 984.1 (2025): 33.

出品：科普中國(guó)

作者：白俊濤瑪麗佳（中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)）

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