|作者：李曄1, ?　張松波1　楊元培2

(1 中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)）

(2 云南大學(xué)中國西南天文研究所)

本文選自《物理》2026年第2期

1 引 言

快速射電暴(fast radio bursts，F(xiàn)RBs)是宇宙中一類短暫而高亮度的射電爆發(fā)現(xiàn)象；其典型持續(xù)時(shí)間僅為數(shù)毫秒，卻能在極短時(shí)間內(nèi)釋放出相當(dāng)于太陽數(shù)周甚至數(shù)月輻射的總能量(圖1)[1]。自2007年首次被發(fā)現(xiàn)以來，快速射電暴已成為天文學(xué)中最神秘的熱點(diǎn)研究對象之一。迄今為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了接近4000例快速射電暴，其中約100例探測到了重復(fù)爆發(fā)[2]。由于其極短的持續(xù)時(shí)間和極高的能量，科學(xué)界普遍相信快速射電暴與中子星等致密天體密切相關(guān)。

圖1　快速射電暴FRB 010724的時(shí)間—頻率圖，顏色越深表示射電信號(hào)越強(qiáng)[1]

在諸多理論模型中，強(qiáng)磁場中子星(磁陀星)和中子星雙星系統(tǒng)模型是目前討論最為廣泛的兩類情景。前者認(rèn)為快速射電暴起源于年輕、強(qiáng)磁場中子星的磁層活動(dòng)過程。主要證據(jù)來自于銀河系內(nèi)磁陀星SGR J1935+2154產(chǎn)生的類快速射電暴現(xiàn)象FRB 200428[3，4]。然而，F(xiàn)RB 200428的能量顯著低于銀河系外快速射電暴的典型能量。并且，在部分重復(fù)快速射電暴中，所輻射的總能量已經(jīng)接近于典型磁陀星的總磁能，對磁陀星模型提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[5]?？焖偕潆姳┐嬖谟陔p星系統(tǒng)的模型能夠自然地解決這些問題[6]。此外，數(shù)個(gè)快速射電暴存在周期性活動(dòng)，也暗示了快速射電暴可能存在于雙星系統(tǒng)之中[7]。但長期以來始終缺乏直接、清晰的觀測證據(jù)支持。在這一背景下，快速射電暴周圍的環(huán)境研究可能成為區(qū)分不同起源模型的關(guān)鍵突破口。

2 法拉第旋轉(zhuǎn)：探測快速射電暴周圍磁環(huán)境的關(guān)鍵探針

在射電天文學(xué)中，偏振測量是研究傳播路徑上電子密度和磁場強(qiáng)度的重要方式。當(dāng)電磁波穿過磁化等離子體時(shí)，其偏振角會(huì)隨波長平方發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這一現(xiàn)象被稱為法拉第旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)的程度被稱為旋轉(zhuǎn)量，與傳播路徑上的電子密度乘以磁場視線分量的積分成正比，即為法拉第旋轉(zhuǎn)量(rotation measure，RM)。

法拉第旋轉(zhuǎn)量對磁化等離子體環(huán)境極為敏感，因此被廣泛用于研究脈沖星、活動(dòng)星系核以及快速射電暴周圍磁環(huán)境。與色散量(disperson measure, DM)主要反映電子柱密度不同，法拉第旋轉(zhuǎn)量還編碼了磁場強(qiáng)度與方向信息，使其成為探測致密天體附近磁結(jié)構(gòu)演化的獨(dú)特“磁環(huán)境探針”。

對于快速射電暴而言，法拉第旋轉(zhuǎn)量的時(shí)間演化尤為重要。若快速射電暴起源于穩(wěn)定環(huán)境，其法拉第旋轉(zhuǎn)量應(yīng)僅表現(xiàn)出微小擾動(dòng)；若存在大尺度長期變化(例如膨脹的超新星遺跡)，則表現(xiàn)為緩慢變化；而若信號(hào)傳播路徑中存在局域、短時(shí)間的磁化等離子體活動(dòng)，則法拉第旋轉(zhuǎn)量可能出現(xiàn)顯著甚至劇烈的瞬態(tài)變化。因此，對法拉第旋轉(zhuǎn)量的長期、高精度監(jiān)測，為研究快速射電暴周圍環(huán)境提供了難得的觀測窗口。

3 FAST對快速射電暴FRB 20220529的長期監(jiān)測

中國“天眼”500米口徑(有效口徑300米)球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)憑借其世界領(lǐng)先的靈敏度和穩(wěn)定的觀測性能，在快速射電暴研究中發(fā)揮著不可替代的作用。依托中國“天眼”的觀測優(yōu)勢，研究團(tuán)隊(duì)對重復(fù)快速射電暴FRB 20220529進(jìn)行了長達(dá)2.2年的系統(tǒng)監(jiān)測[8]。

FRB 20220529是一例亮度較低的重復(fù)暴源，其多數(shù)爆發(fā)事件信噪比較低，難以被其他射電望遠(yuǎn)鏡穩(wěn)定探測。這一特性使其成為體現(xiàn)FAST靈敏度及偏振測量能力的理想目標(biāo)，同時(shí)也意味著對其偏振參數(shù)的獲取具有較高技術(shù)挑戰(zhàn)。

圖2　快速射電暴FRB 20220529的觀測時(shí)間(a)、探測到的FRB個(gè)數(shù)(b)、FRB爆發(fā)率(c)、色散量(d)、線偏振度(e)和法拉第旋轉(zhuǎn)量(f)隨著時(shí)間的變化。可以看到，2023年底法拉第旋轉(zhuǎn)量出現(xiàn)驟變，隨后在兩周內(nèi)回落至正常水平，清晰記錄了磁化等離子體云穿過觀測視線的全過程，為雙星起源假說提供了直接證據(jù)

在觀測初期約一年半的時(shí)間內(nèi)，F(xiàn)RB 20220529的法拉第旋轉(zhuǎn)量表現(xiàn)出相對平穩(wěn)的統(tǒng)計(jì)特性，其取值主要分布在?300至+300 rad·m-2范圍內(nèi)，中位值約為17 rad·m-2，標(biāo)準(zhǔn)差約為100 rad·m-2。這一階段的法拉第旋轉(zhuǎn)量行為表明，快速射電暴信號(hào)沿傳播路徑所經(jīng)歷的磁化等離子體環(huán)境整體上較為穩(wěn)定(圖2)。

4 法拉第旋轉(zhuǎn)量的劇烈跳變與快速回落

2023年12月，研究團(tuán)隊(duì)捕捉到一次顯著偏離常態(tài)的異常事件。FRB 20220529的法拉第旋轉(zhuǎn)量在短時(shí)間內(nèi)突然躍升至1977±84 rad·m-2，其幅度高達(dá)之前標(biāo)準(zhǔn)差的20倍，遠(yuǎn)超此前所有觀測記錄(圖2)。

更為引人注目的是，該異常并非長期持續(xù)狀態(tài)。在峰值后，法拉第旋轉(zhuǎn)量隨時(shí)間呈現(xiàn)出幾乎單調(diào)下降趨勢(統(tǒng)計(jì)誤差范圍內(nèi))，并在約兩周時(shí)間內(nèi)逐步回落至原有的正常波動(dòng)范圍。這一“跳變—回落”式的演化過程，在快速射電暴觀測中尚屬首次。

這一觀測結(jié)果表明，F(xiàn)RB 20220529周圍的磁化等離子體環(huán)境在短時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷了一次劇烈而可逆的擾動(dòng)事件。法拉第旋轉(zhuǎn)量的快速演化排除了緩慢結(jié)構(gòu)變化的可能性，指向了一種瞬態(tài)、局域的物理過程。

5 指向雙星系統(tǒng)的關(guān)鍵證據(jù)

從法拉第旋轉(zhuǎn)量的定義可見：一團(tuán)磁化的等離子體云在數(shù)周時(shí)間尺度內(nèi)穿過了地球與快速射電暴源之間的觀測視線。結(jié)合法拉第旋轉(zhuǎn)量的變化幅度、持續(xù)時(shí)間以及演化形態(tài)，一種物理上自然且自洽的解釋是：FRB 20220529的暴源存在一顆伴星(圖3)，伴星相關(guān)的磁化等離子體云經(jīng)過了地球的視線方向。這一磁化等離子體云可能是伴星的星冕物質(zhì)拋射(圖4)，類似的過程可以參考太陽的日冕物質(zhì)拋射；也有可能是伴星星風(fēng)，在雙星軌道運(yùn)動(dòng)過程中，星風(fēng)進(jìn)入觀測視線，從而導(dǎo)致法拉第旋轉(zhuǎn)量的顯著躍變。無論具體機(jī)制如何，其共同前提都是存在一個(gè)伴星。

圖3　雙星系統(tǒng)想象圖

相比之下，若快速射電暴起源于一顆完全孤立的中子星，無論是強(qiáng)磁場中子星耀發(fā)還是超新星遺跡等模型，都難以產(chǎn)生如此幅度巨大、時(shí)間尺度短暫且可逆的磁環(huán)境擾動(dòng)。因此，此次觀測結(jié)果為快速射電暴的雙星起源模型提供了關(guān)鍵的觀測支持。

圖4　雙星系統(tǒng)星冕物質(zhì)拋射想象圖

6 展望與意義

FRB 20220529的法拉第旋轉(zhuǎn)量驟變事件，充分展示了中國“天眼”在研究暗弱快速射電暴及其偏振特性方面的獨(dú)特能力。隨著觀測時(shí)間的進(jìn)一步積累，以及對更多重復(fù)快速射電暴的系統(tǒng)監(jiān)測，類似的磁環(huán)境瞬態(tài)事件有望在未來被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)。

此類研究不僅有助于區(qū)分快速射電暴的不同起源機(jī)制，也為探索致密天體周圍極端磁化等離子體的物理過程提供了新的觀測窗口。這項(xiàng)研究成果已發(fā)表于國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊

Science

參考文獻(xiàn)

[1] Lorimer D R，Bailes M，McLaughlin M A et al. Science，2007，318(5851)：777

[2] FRB Collaboration，Abbott T，Andersen B C et al. 2026，arXiv：2601.09399

[3] CHIME/FRB Collaboration，Andersen B C，Bandura K M et al. Nature，2020，587(7832)：54

[4] Li C K，Lin L，Xiong S L et al. Nat. Astron.，2021，5：378

[5] Zhang J S，Wang T C，Wang P et al. 2025，arXiv：2507.14707

[6] Wang F Y，Zhang G Q，Dai Z G et al. Nat. Commun.，2022，13：4382

[7] CHIME/FRB Collaboration，Amiri M，Andersen B C et al. Nature，2020，582(7812)：351

[8] Li Y，Zhang S B，Yang Y P et al. Science，2026，391：280

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