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宇宙極限事件「快速電波爆發」成因調查,新獲重要突破

posted Dec 2, 2015, 5:28 PM by Lauren Huang   [ updated Dec 3, 2015, 10:01 PM ]

原文連結:NRAO: 'Fast Radio Burst' Sheds New Light on Origin of These Extreme Events

插畫圖示意某快速電波爆發(FRB)正在抵達地球途中。不同顏色代表快速電波爆發以三種波長的電波形式抵達地球,波長最長者(紅色)比波長最短者(藍色)抵達時間略延遲約數秒。這種延遲叫做色散。宇宙中,電波行經電離區,出現色散。Credit: 北京天文館Jingchuan Yu
插畫圖示意:某快速電波爆發(FRB)正在抵達地球途中。不同顏色代表快速電波爆發以三種波長的電波形式抵達地球,波長最長者(紅色)比波長最短者(藍色)抵 達時間略延遲約數秒。這種延遲叫做色散。宇宙中,電波行經電離區,出現色散。Credit: 北京天文館Jingchuan Yu

根據綠堤望遠鏡(GBT)提供的資料集,經分析後顯示,其中一筆快速電波爆發紀錄透露出該起電波爆發事件是來自太空中某高度磁化區域。Credit: NRAO/AUI/NSF
根據綠堤望遠鏡(GBT)提供的資料集 (dataset) 經分析後顯示,其中一筆快速電波爆發紀錄透露出該起電波爆發事件是來自太空中某高度磁化區域。Credit: NRAO/AUI/NSF

「快速電波爆發」顧名思義是一種歷時短、非常亮的宇宙電波,簡稱為FRBFast Radio Bursts)。第一個案例在十年前發現,迄今天文學界仍對它大惑不解。雖然看起來,它似乎應該來自遙遠宇宙,但在天文學家手中所掌握的證據,無一能提供其成因及來源等等線索。不過,這種情況最近有了重大改變,而這項研究帶來的進展也備受矚目。

FRB random appearance on the sky

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經過一番抽絲剝繭,對「綠堤望遠鏡」(Green Bank Telescope,簡稱為GBT650小時存檔資料大費苦功鑽研,終於,天文學家從其中找到了一筆FRB紀錄,提供著前所未有的細節,研究成果顯示,爆發源的位置是太空中某一高度磁化的區域,可能和近期的超新星爆發,或是活躍恆星形成的星雲內部有關連。

英屬哥倫比亞大學以及加拿大高等研究機構(the Canadian Institute for Advanced Research)的增井清(Kiyoshi Masui)博士表示:「這次我們了解到,來自這起FRB快速電波爆發的能量,在爆發後不久,隨即經過了一個高密度磁化區域(dense magnetized field),這項線索,大幅縮減了我們對爆發源所在環境之特徵及引起爆發可能事件為何的不確定範圍。」

快速電波爆發這種如謎一般的閃光,似乎是源自宇宙各個方向,隨機出現。雖然轉瞬間就消失、爆發時間短促不及幾分之一秒,能量強度卻極為可觀。目前為止,科學家一共只取得過15個完整的FRB紀錄,然而,據信,這樣震撼的場景在我們可觀測的宇宙中,應該每天都發生幾千次。

智取海量資料中之寶藏

天文學家這次能在觀測中新發現到這起編號FRB 110523的快速電波爆發事件,是藉由增井博士及他在南非DurbanKwaZulu-Natal大學合作夥伴喬納森.西佛(Jonathan Sievers)教授所開發的特殊軟體。

在將近有40TBterabytes)這麼龐大的海量資料裡要想撈出一筆「不尋常」紀錄本屬不易,再者,這種清晰卻短促的FRB還因在太空中長途旅行會「被模糊掉」,所以辨識它可說難上加難。

電波訊號隨距離增長而模糊,也稱為色散模糊效應,在電波天文學裡常可用來估算距離,色散程度較高,可知天體和地球的距離較遠。譬如此例中的爆發源之距離經估算,和我們的距離大約是60億光年。

不過,色散會藏匿FRB,使之難以發現。

在研究團隊新研發的資料探勘(data mining)軟體裡,對抗這種色散問題的特別方式是,先以演算法將色散抵銷,然後把爆發還原成原貌。藉由這種作法,分析海量資料所需時間可大幅減少。

這隻主要由宇宙學者組成的研究團隊,首先用他們所開發出來的這種新軟體,把全部GBT綠堤望遠鏡的資料都跑過一遍,辨識出所有可能的候選訊號,這一共找到6000多筆FRB紀錄,接下來,再由卡內基美隆大學的林修賢(來自臺灣)逐一加以檢查,經過嚴格篩選,到最後只剩下一筆資料。

細節就在偏振裡

然而這筆僅存的訊號卻非比尋常:它取得先前從來不為人知的偏振資料細節:在這次GBT的觀測裡,取得的是圓偏振和線偏振兩種都有。

卡內基美隆大學的Jeffrey Peterson表示:「我們從隱藏在海量資料中找到的這筆訊號,極其奇特,不僅符合所有快速電波爆發的已知特徵,還多提供一種偏振資料,是從來沒人看到過的。」

偏振現象描述了光波中「電」與「磁」如何相互震盪的特性。簡言之,從偏光太陽眼鏡能幫我們擋掉陽光中的一部分,到3D立體電影會產生物體看似具有深度之假象,這些都是因為偏振現象。

藉由新觀測到的這筆資料,研究團隊並發現此FRB案例具有法拉第旋轉效應──電波因為通過強大磁場而產生螺旋紋路,形狀像能拔起紅酒軟木塞的開瓶器上之螺旋。

增井清表示,藉由這個偏振資料,他們更多知道了一些爆發事件曾穿越磁場所特有的資料,這讓釐清爆發源所在位置的進展有一點眉目,同時,也讓理論學者在解釋這類爆發時有更多資料可用。

此外,色散延遲經過測量後,還能對爆發源所在區域的大小提供下限為何的建議。以本例來說,經過計算,快速電波爆發是來自本星系恆星的可能已經排除,這也是首度斬釘截鐵地顯示:快速電波爆發必然來自銀河系以外之其他星系。

經過進一步分析後,取得資料還顯示出:這個爆發信號在抵達地球前,曾經通過兩個離子雲區域,研究者稱為色散屏(scattering screen),運用對這兩個色散屏彼此如何交互作用的了解,天文學家又獲悉了兩者的相對位置。最強的那個色散屏,離爆發源很近,大約只有數十萬光年,亦即其位置不超過爆發源的星系以外;研究團隊表示,只有兩種情況會讓此電波訊號上有此特殊印記:其一是環繞爆發源周圍的星雲,其二是靠近星系中心的環境。

增井清總結說,這些具有意義的資料為我們透露了許多與快速電波爆發相關而前所未見的資訊,也讓我們對這種神秘事件取得重要的描述,可做更多深入研究。同時令人感到振奮的是,本次研究取得新軟體,這軟體在日後可用來搜索大量存檔資料,找出更多快速電波爆發案例,如此則越來越能釐清快速電波爆發真正屬性。

此項成果發表於Nature期刊。

口徑寬達100 米的GBT綠堤望遠鏡是目前全世界上最大的全可動式電波望遠鏡,位於美國國家電波寧靜管制區(National Radio Quiet Zone)以及西維吉尼亞州電波天文特區(West Virginia Radio Astronomy Zone)內,特殊的所在地條件能嚴格管制不必要電波干擾,提升高靈敏度望遠鏡之資料信度,進行獨特的觀測。

美國國家電波天文臺是美國國家科學基金會旗下的設備之一,依照Associated Universities, Inc.簽署的合作協議運營。


補充後記:

Jay Lockman(美國國家電波天文台綠堤望遠鏡):「快速電波爆發既奇特又神秘,本次GBT的發現,尤因其對這類現象發生之所在環境為何,映照出第一線曙光,特別重要。」

Maura McLaughlin(西維吉尼亞大學):「這是GBT偵測到的第一筆快速電波爆發案例,以後案例必然越來越多,除此外,還有能幫GBT即時偵測快速電波爆發的新系統正在開發,此類進展未來將使得這些爆發事件能藉由其他波段望遠鏡跟進觀測,對FRB成因了解很有幫助。」

彭威禮(多倫多大學,加拿大理論天文物理研究所):「這個GBT 的 dataset,目前已有二個創新應用,投入的 650 小時觀測,原目的本身即為一項很具有開創性之宇宙學普查 GBT HI Intensity Mapping,這普查計畫又催生了好幾個新一代的電波望遠鏡(CHIME, Hirax, 天籟)。新發現應歸功於團隊成員的不屈不撓,堅持克服了先前曾被認為最後一定徒勞無功的困難,這些種種,對下一批新望遠鏡的任務計畫已經發揮其影響。」

中研院天文所助研究員張慈錦、支援科學家廖祐葳博士等人皆為本篇論文團隊成員,特別感謝國科會103-2112-M-001-002-MY3專案補助其研究計畫,(另一成員郭政育亦曾於天文所任博士後研究,現於國立中山大學物理系擔任助理教授)。張慈錦說明:這次快速電波爆發得以偵測發現,是GBT綠堤望遠鏡氫原子強度繪圖計畫即前述 GBT HI Intensity Mapping附帶取得的科學成果。目前,中研院天文所正在主導研發 800 MHz multi-beam receiver,將架設在綠堤望遠鏡上,除了用來協助更大規模的氫原子強度普查,還能探討重子聲學振盪對暗能量的效應,並且用來即時搜尋快速電波爆發事件。

相關影片:


(原文連結:NRAO: 'Fast Radio Burst' Sheds New Light on Origin of These Extreme Events

譯:黃珞文,審校:周美吟博士、汪仁鴻研究助技師、曾耀寰研究副技師、張慈錦助研究員

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