快速射电暴（FRB）是由极度紧凑的天体爆发释放的短暂且强烈的射电波。这种千分之一秒的“宇宙烟火”尽管转瞬即逝，却携带着巨大的能量，足以在短时间内点亮整个星系。
自 2007 年首次发现以来，天文学家已探测到数千个 FRB，其发源地范围从银河系内到遥远宇宙深处，甚至距离地球达 80 亿光年。然而，这些耀眼的宇宙射电暴的形成机制仍不明确。
如今， MIT 的天文学家通过一种全新方法，首次确定了至少一个 FRB 的起源。这项技术或许还能推广应用于其他 FRB 的研究。根据近期发表在Nature上的研究，科学家们聚焦于 FRB 20221022A——一个源自距离地球约 2 亿光年的星系的 FRB。
通过分析射电信号的“闪烁效应”，研究团队进一步精准定位了其爆发源。他们研究了 FRB 亮度的变化，确认爆发区域靠近信号的来源地，而非一些模型预测的更远位置。
研究结果表明，FRB 20221022A 的爆发发生在距离一个旋转中子星不到 1 万公里的区域内。这一距离甚至小于纽约和新加坡之间的距离。在如此近的范围内，这次爆发很可能起源于中子星的磁层——一个高度磁化并紧贴该超紧凑天体的区域。
这一发现首次明确证明 FRB 可以起源于磁层，即靠近极度紧凑天体的强磁化环境。
“这些中子星周围的磁场几乎达到了宇宙可生成的极限。”该研究第一作者、MIT 卡夫里天体物理与空间研究所博士后 Kenzie Nimmo 表示，“关于如此极端的等离子体中是否可能释放出明亮的射电辐射，科学界存在许多争论。”
MIT 物理学副教授 Kiyoshi Masui 补充道：“在这些高磁化的中子星周围，强磁场会撕裂原子结构。令人兴奋的是，我们发现这些磁场中储存的能量会发生扭曲和重新配置，从而释放出射电波。这些射电波穿越宇宙后被我们探测到。”
这项研究的 MIT 合作者还包括 Adam Lanman、Shion Andrew、Daniele Michilli 和 Kaitlyn Shin，以及来自多个机构的合作研究人员。
电暴规模
近年来，由于加拿大氢强度测绘实验（CHIME）的贡献，FRB 的探测数量显著增加。CHIME 是一组由四个大型固定接收器组成的射电望远镜阵列，这些接收器形状如半管，专门调谐以检测 FRB 高度敏感范围内的射电信号。自 2020 年以来，CHIME 已经探测到数千个来自宇宙各处的 FRB。
尽管科学家普遍认为这些射电暴源自极度紧凑的天体，但其具体驱动机制仍存争议。一些模型认为，FRB 源于紧凑天体周围湍动的磁层；而另一些模型则提出，这些射电暴可能由更远处的冲击波产生，并向外传播。
为区分这两种可能的起源并确定 FRB 的具体生成位置，研究团队借助了“闪烁效应”。这一效应类似于星光穿过星系气体等介质时的现象。星光在穿过气体时路径弯曲，使得观测者看到的星星似乎在闪烁。通常光源越小或越遥远，其闪烁越明显；而较大或较近的光源，路径弯曲较少，因此不会显著闪烁。
基于这一原理，团队推测，通过估算 FRB 的闪烁程度，可以判断其起源区域的相对大小。如果区域较小，表明射电暴离其源头更近，更可能来自磁性湍动的环境；而较大的区域则意味着射电暴离源头更远，支持其由远处冲击波产生的理论。
这一创新方法为探索 FRB 的起源提供了全新工具和思路，也为理解这些神秘的宇宙现象揭开了新的篇章。
闪烁模式
为了验证理论，研究人员对 FRB 20221022A 展开了详细研究。这是 2022 年由 CHIME 探测到的 FRB，持续时间约两毫秒，在亮度上属于普通的 FRB。然而，麦吉尔大学的研究合作者发现其具备独特特征：爆发光高度极化，极化角度呈现平滑的 S 形曲线。这一特性被解读为发射源正在旋转的证据，类似特性此前仅在高度磁化的旋转中子星中观测到。
这是首次在 FRB 中观测到类似极化特征，暗示信号可能来源于中子星附近。这一发现由麦吉尔团队近期发表在Nature的论文中。
MIT 研究团队意识到，若 FRB 20221022A 确实来源于中子星附近，其起源可通过闪烁效应加以验证。在新研究中，Nimmo 和团队分析了 CHIME 的数据，发现信号的亮度存在剧烈变化，显示出明显的闪烁现象。进一步分析确认，望远镜与 FRB 之间存在某种弯曲并过滤射电波的气体。团队定位这些气体的位置，发现部分闪烁是由 FRB 所在星系内的气体引发的。这些气体如天然透镜般放大了 FRB 的发射源区域，研究团队由此估算出其爆发区域宽度仅约1万公里。
“这表明 FRB 可能离其源头仅数十万公里。” Nimmo 解释道，“这一距离极其接近，而如果信号起源于冲击波，其距离预期将超过数千万公里，且不会观察到闪烁效应。”
Masui 补充道：“从距离 2 亿光年外定位到 1 万公里范围内，类似于在月球表面测量一根仅宽 2 纳米的 DNA 双螺旋，涉及的尺度范围令人惊叹。”
MIT 团队的结果与麦吉尔团队的发现相结合，排除了 FRB 20221022A 来源于紧凑天体外围的可能性，首次明确表明 FRB 可以起源于中子星极近距离的高度混乱磁场环境。
“这些爆发频繁发生，CHIME 每天都能探测到几个。” Masui 说道，“FRB 的起源方式和位置可能差异极大，而这种闪烁技术将成为揭示这些现象背后多种物理机制的关键工具。”
麦吉尔大学的共同作者 Ryan Mckinven 补充：“极化角描绘的模式与银河系内脉冲星的特性惊人相似，最初我们担心该源可能被错误分类为 FRB。然而，通过光学望远镜的数据确认，该 FRB 确实来源于数百万光年外的星系。”
“极化测量是探测这些遥远来源的有限工具之一。” Mckinven 解释道，“这一发现或将激发对其他 FRB 类似行为的研究，并推动理论研究以解释其极化信号的差异。”
这项研究得到了包括加拿大创新基金、多伦多大学邓拉普天文学与天体物理研究所、加拿大高级研究院、麦吉尔大学 Trottier 空间研究所及不列颠哥伦比亚大学等多个机构的支持。
https://news.mit.edu/2025/mit-scientists-pin-down-origins-fast-radio-burst-0101
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