• 重大突破

    紫臺在快速射電暴的強引力透鏡效應研究方面取得最新進展

      快速射電暴(Fast Radio Burst, FRB)是持續時間在毫秒量級的射電波段的高能瞬變信號,其特點是爆發時間短、能量高。 2007年,美國西弗吉尼亞大學的Duncan Lorimer等人發現了第一個FRB,到現在已經有100多個FRB被探測到了,但產生這種信號的物理機制目前還沒有明確論斷。 

      由于射電信號在等離子體中傳播存在色散,導致不同頻率的FRB信號到達地球的時間是有差異的,而對色散量的測量顯示FRB是來自銀河系外(河外)的,甚至是宇宙學距離(幾億光年)上的射電源。對幾個FRB寄主星系的成功定位也證實了這一點,而且FRB是非常理想的點源,事件發生率高,信號持續時間短,這些特點都使得FRB成為一種強大的研究宇宙學的探針:這么短時間釋放如此高能量,說明這是宇宙中十分極端的物理事件。美國哥倫比亞大學的天體物理學家布萊恩?梅策格爾認為:快速射電暴可能是中子星合并的結果。如果是中子星合并,那么就會同時產生引力波。如果發生在可探測引力波的距離—銀河系內,會對我們地球的無線電通訊造成巨大甚至破壞性影響。 

      迄今為止發現的大多數FRB都是單峰的,也有少數FRB呈現出多峰輪廓(或稱重復快速射電暴),產生這種現象的原因尚不清楚,究竟是多次爆發還是有另外物理機制導致的,眾說紛紜。 

      近期,中國科學院紫金山天文臺星系宇宙學和暗能量研究團組的科研人員從引力透鏡的角度出發,通過數值模擬證明了點質量透鏡模型和點質量加外部剪切透鏡模型都可以產生單峰FRB信號的兩個像,導致雙峰輪廓的出現。也就是說引力透鏡可以為FRB雙峰輪廓的出現提供一種可能的解釋,而且只需要光路上FRB的前景有點質量天體,就自然地存在這種可能性。特別是對于點質量透鏡模型,它產生的雙峰信號前峰總是比后峰高,而點質量加外部剪切透鏡模型可以將這個情況反轉,即產生比前峰高的后峰。研究人員還發現,對于點質量透鏡模型,透鏡天體質量M和紅移zl的乘積組合M(1+zl),可以直接由兩個觀測值:前后峰的時間延遲Δt和流量比R計算出來,而對于點質量加外部剪切透鏡模型,可以對M(1+zl)的范圍做出一些限制,研究人員分別以FRB121002和FRB130729這兩個雙峰FRB的Δt和R的觀測值作為參考(圖1,2),使用中國科學院紫金山天文臺的“宇宙學數值模擬數據庫”中的光線追蹤引力透鏡數據子庫完成了模型的建立和有效性檢驗,并最終將模型運用到觀測數據,闡明了這個過程,為限制透鏡天體的質量提供了一種新穎的方法。 

     

    圖1,左:以FRB130729的觀測量為參考的M(1+zl)和外部剪切關系,以及當外部剪切為0.01時對透鏡天體質量做出的限制,右:點質量加外部剪切透鏡模型給出的流量比和時間延遲關系,以及FRB130729的觀測量對應的位置。(Chen et al. 2021) 

     

    圖2,左:以FRB121002的觀測量為參考的M(1+zl)和外部剪切關系,以及當外部剪切為0.01時對透鏡天體質量做出的限制,右:點質量加外部剪切透鏡模型給出的流量比和時間延遲關系,以及FRB121002的觀測量對應的位置。(Chen et al. 2021) 

      該研究成果已發表在《The Astrophysical Journal》雜志上,第一作者為紫金山天文臺博士研究生陳雪純,導師為紫金山天文臺星系宇宙學和暗能量研究團組李國亮研究員,該工作得到了國家自然科學基金NSFC和國家基礎學科公共科學數據中心(National Basic Science Data Center,NBSDC)中的宇宙學數值模擬數據庫(Cosmology simulation database,CSD) 等的支持。 

      文章鏈接:https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/abf119 

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