艺术想象图：双星系统中，伴星的星冕物质抛射形成磁化等离子体云，穿过地球与快速射电暴源的观测视线，引发法拉第旋转量的剧烈变化。
■本报记者 胡珉琦
在寂静无声的宇宙深处，有时会上演“惊心动魄”的一幕。一种名为快速射电暴的神秘现象，能在千分之一秒内，释放出太阳一整周才能辐射出的巨大能量。它们来自几十亿光年之外，如同宇宙的密码，一直是天体物理学领域的重要谜团。
1月16日，《科学》在线发表了一项重要突破：由中国科学院紫金山天文台牵头，联合国内外多个研究团队，利用我国500米口径球面射电望远镜（“中国天眼”，FAST），在国际上首次捕捉到重复快速射电暴的法拉第旋转量（RM）发生剧烈跳变并随后回落的详细演化过程。这一独特发现为“快速射电暴起源于双星系统”的假说提供了关键的观测证据。
惊人的突变
自2007年首次发现快速射电暴以来，天文学家已经追逐这类“宇宙射电脉冲闪”近20年。关于它们的起源有各种假说，有一种比较普遍的推测认为，这一现象与中子星等致密天体有关。
论文通讯作者、紫金山天文台研究员吴雪峰解释，目前发现的快速射电暴可以分为两种类型，其中绝大多数一闪即逝，再无踪影，但仍有一小部分会像“活火山”一样，不定期多次爆发。部分重复暴表现出周期活动的特征，暗示其起源天体可能处于双星系统中，但至今并无直接观测证据支撑。
2022年5月加拿大氢强度测绘实验（CHIME）发现了重复快速射电暴FRB 20220529，中国研究团队利用FAST对其开展了两年多的监测，捕捉到了上千次爆发。
科学家如何“窥探”爆发当时发生了什么？他们用了一个巧妙的“宇宙磁环境探针”——RM。吴雪峰把它形象地比作光波的“扭腰舞”。当快速射电暴发出的无线电波穿过有磁场的环境时，它的振动方向会发生旋转，旋转越厉害意味着环境越复杂。
然而，在前一年半的常规监测中，FRB 20220529的RM一直在-300到+300弧度/平方米的范围内小幅波动，中位数仅为17弧度/平方米。天文观测常依赖机遇。就在论文第一作者、紫金山天文台副研究员李晔以为这项观测会波澜不惊地结束时，转折出现了。
她记得那是2023年12月的一天，FAST监测数据显示，在经历了一段短暂的“静默”期后，FRB 20220529的RM毫无征兆地飙升至1977±84弧度/平方米，暴涨约20倍！研究人员的第一反应是“数据出错了”，直至多人重复验证，才确认无疑。
意识到这是非同寻常的现象，论文通讯作者、中国科学院国家天文台研究员姜鹏立即安排FAST开始了密集观测。更令人惊讶的是，这次跳变并未持续太久，在随后短短两周内，它又像坐过山车一样迅速回落，恢复到了正常的波动水平。
这种剧烈、快速且可逆的磁环境变化，在快速射电暴研究史上尚属首次被记录。他们相信，必然有一个强大的外部因素介入了周围环境。
“科学探案”锁定双星系统
一次如此极端的磁环境突变，原因究竟是什么？
接下来的工作就像一场“科学探案”，研究团队需要逐一排查可能的“嫌疑对象”。
于是，他们分别比较了超新星遗迹、环境湍流及磁陀星耀发带来的可能影响。结果发现，无论哪一种，都无法跟这次RM变化的幅度和快速可逆的时间尺度相契合。
“排除了所有不可能，剩下的就是真相。”吴雪峰说，研究团队将目光投向了最有可能的解释——双星系统。产生快速射电暴的中子星并非“孤家寡人”，而是有一颗伴星，两者相互绕转。
那么，这将如何解释那次剧烈的RM跳变呢？研究团队提出了一个与太阳系内现象极为相似的完美解释：伴星的星冕物质抛射。太阳有时会发生剧烈的活动，抛射出大量携带磁场的等离子体云，即日冕物质抛射。当这团物质恰好经过地球与某颗恒星之间时，就会显著影响人们观测到的那颗恒星的磁场环境。
同理，FRB 20220529的伴星可能发生了一次类似的剧烈活动，抛射出一团致密且高度磁化的等离子体云。这团物质在数周内，恰好穿过了FAST观测视线与快速射电暴源之间的路径。当它经过时，其强大的磁场和高密度等离子体导致了RM的飙升；当它完全离开视线后，RM便自然回落至正常水平。
中国科学院院士、紫金山天文台研究员史生才评价道：“这项研究清晰揭示了致密磁化等离子体云穿过观测视线的过程，这与双星系统中伴星的剧烈活动高度契合，为我们破解快速射电暴起源之谜迈出了重要一步。”
FAST如何成就“世界首次”
“快速射电暴起源于双星系统”这一假说首次获得了强有力的、关键的观测证据支持，离不开FAST的“火眼金睛”。
值得关注的是，FRB 20220529属于信号暗弱的暴源，其多数爆发难以被其他望远镜有效探测。在吴雪峰看来，作为世界最大、最灵敏的单口径射电望远镜，FAST就像一台宇宙“超高清高速摄像机”，能够捕捉到其他望远镜无法察觉的完整的微弱信号细节，揭示快速射电暴源周围的环境，把快速射电暴的观测过程从“幻灯片”时代带到“4K电影”时代。
“这一成果彰显了中国FAST望远镜在开展长期监测观测方面的强大实力。”世界第一例快速射电暴发现者、美国西弗吉尼亚大学教授邓肯·洛里默点评道。
FAST自投入使用以来，一直保持稳定高效的运行状态，产生的数据量逐年增长。就在上一个完整观测年里，它的总观测时长超过5400个小时，在世界上遥遥领先。
姜鹏坦言，为积极应对国际同行日趋激烈的竞争，FAST正稳步推进升级规划。项目将在FAST周边建设数十台中等口径天线，构建全球唯一、以FAST为核心的巨型综合孔径阵列。这一创新设计将彻底弥补单口径望远镜在空间分辨率上的天然局限，同时提升观测灵敏度，实现综合观测性能质的飞跃。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1126/science.adq3225
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