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研究团队揭示磁星与快速电波爆的关联

来自宇宙中神秘的“快速电波爆”（Fast Radio Bursts，简称 FRB）一直是天文学上的谜团，它们到底是什么?

国际团队于2022年10月，以两个NASA的X射线望远镜，NICER（中子星内部组成探测器）以及NuSTAR（核光谱望远镜阵列），在一次FRB事件发生前后做了密集的观测，这一史无前例的观察使天文学家更接近寻找的答案，可以更好理解快速电波爆。这项研究结果发表于国际顶尖学术期刊《自然》（Nature）（Hu et al. 2024）。

艺术家想象中的快速电波爆（FRB）到达地球的想象画。（Source：Jingchuan Yu, Beijing Planetarium）

2020年4月28日，一颗位于银河系内的磁星（编号：SGR 1935+2154）发生了一系列X射线爆发活动，期间一次X射线爆发与FRB发同时被记录下来。2022年10月10日，这颗磁星又出现了频繁的X射线爆发活动，国际研究团队即迅速向NASA的NICER及NuSTAR两个X射线望远镜提出了紧急观测的要求，于观测期间，10月14日，这颗磁星再次发生了FRB，这是有史以来首次针对磁星在FRB发生前后进行的密集X射线观测，这样的资料提供了关于磁星发生FRB与X射线爆发之间能量来源的宝贵资讯。

艺术家描绘的磁星场景，强大而扭曲的磁场线以绿色呈现，这些磁场能够影响带电物质（以蓝色表示）在物体周围的流动。（Source：NASA）

磁星有脉冲现象，其两极的发出的电磁波束随着磁星的高速自转，如灯塔般周期性地指向地球，因此可以利用脉冲讯号得知磁星的自转周期。此次研究团队对SGR 1935+2154磁星在发生FRB事件前后的自转速度变化进行了详细的追踪，侦测到在FRB前后大约9小时内该磁星经历了两次的“glitch”，即自转速度短时间内急遽增加的现象，而FRB事件即发生在这两次的glitch之间。

就以时间轴而言，SGR 1935+2154先发生一次glitch，自转突然加速，然后在九小时内减速至未达glitch前的速度，比以往观察到的磁星速度下降速度快了约100倍，在减速期间发生了FRB，之后又再发生一次glitch，恢复到原本的自转速度。

SGR 1935+2154估计直径约20公里，每秒自转约3.2次，表面自转速度约为每小时11,000公里，减速或加速都需要大量能量。这意味着该磁星在减速时需要有能量以某种形式被释放出来，极可能包含了FRB。glitch现象虽然在其他中子星中有过观测，但在短时间内连续两次发生且与FRB相关，却是首次被记录。通常当发生glitch时，磁星需要数周甚至数月才能恢复到正常速度。所以显然，这次的事情发生的时间尺度比我们之前想象的要短得多，这可能与FRB的产生方式有关。

SGR 1935+2154 在快速电波爆发前后的（a）相位演化、（b）频率变化、（c）频率时变率的演化、（d）短X射线爆发的频率、以及（e）X射线强度的变化。红色虚线是快速电波爆发产生的时间，紫色的点虚线及点线则是两次 glitch 发生的时间。Glitch 发生时间的误差约为0.5小时。

本次研究所发现的现象示意图。（Source：higgstan.com）

此外，在FRB产生的前两小时，研究团队也记录到该磁星发生了非常密集的短X射线爆发，并伴随着光谱的变化。这可能暗示着X射线的活动可能为后来的FRB创造了良好的环境。

这是天文学家首次在FRB事件前后透过密集的X射线观测捕捉到的磁星活动，也是迄今观察到的磁星自转发生变化最极端的一次，为我们理解磁星如何引发快速电波爆提供了新的见解。