低頻射電天空發現神秘天體

MWA發現長周期暫現源       圖像來源：ICRAR

中國SKA區域中心原型機      上海天文臺供圖

“這次是偶然探測到長周期暫現源，我們由此打開了新的觀測窗口，未來可能發現很多類似的源。”中國科學院上海天文臺助理研究員張翔告訴《中國科學報》。

1月27日，《自然》發表張翔與澳大利亞科廷大學國際射電天文研究中心Hurley-Walker博士等的合作研究成果，他們通過分析SKA（平方公里陣列射電望遠鏡）先導望遠鏡的觀測數據，發現了一個具有異常緩慢，周期性輻射的射電暫現源。研究團隊認為，該射電暫現源可能是一個超長周期的磁星或擁有超強磁場的白矮星。

打破“低頻射電天空的平靜”

高頻射電天空（在高頻射電波段觀測的空間）因超新星爆發、伽馬射線暴、黑洞吸積盤耀發等暫現天體而熠熠生輝，但低頻射電天空卻表現得異常安靜。然而，這種平靜正在被打破。

“在射電天文觀測中，低頻射電天空一般指觀測波段在1 GHz以下的空間。”張翔說，“我們這項研究在70MHz至230 MHz范圍工作，被稱為‘低頻射電天空’。以SKA及其先導望遠鏡為代表的新一代射電望遠鏡，正以更強、更深入的觀測能力，迎來射電暫現源研究的新時代。”

2018年初，張翔與Hurley-Walker博士等通過分析位于澳大利亞的SKA低頻先導望遠鏡默奇森寬場陣列（MWA）的巡天觀測數據，發現了一個具有異常緩慢周期性輻射的致密暫現源。

張翔解釋說，暫現源是指天空中出現時間較短的物體，例如流星是暫現源，但大多數星星不是。“長周期暫現源”是指該團隊發現這顆源反復出現，且中間間隔時間較長。這顆暫現源爆發周期約為18分鐘，比已知的最長的脈沖星爆發周期長9倍，每次爆發持續30秒至60秒，也包括短時標（<0.5秒）的爆發，而在更多情況下，觀察到的是比較平滑的，以小時為單位演變的輪廓，在爆發期間，它是150 MHz波段全天最明亮的射電源之一。

“天文學界原先不清楚這種長周期源是否存在。”Hurley-Walker博士說，“這次是偶然探測到長周期暫現源，研究這類源有助于全面了解恒星的演化和死亡。”

發現新的“窗口”

科研團隊在隨后的光學、紅外、高能觀測中，均未發現它的對應體。對其射電脈沖的色散測量表明，這個暫現源位于銀河系內，與太陽系的距離約4200光年。偏振測量顯示出，此暫現源的線偏振度約為90%。

“這超過了150 MHz波段中同一觀測模式下的所有已知脈沖星；由于成像觀測方法存在平滑效應，這種模式下觀測到的脈沖星的線偏振度不超過70%。該暫現源的高偏振度表明存在超強磁場。”張翔說。

該暫現源的長周期和低頻波段的高偏振度均無法用已知脈沖星的理論模型和觀測特征來解釋，研究人員由此排除了它是一顆普通脈沖星的可能性。這顆暫現源一經發現，即引起國際天文學界對其性質的熱議。該研究團隊認為，它更有可能是一顆磁星（Magnetar）或者是一個擁有超強磁場的白矮星。

這一發現為搜尋低頻暫現源打開了新的窗口：由于銀道面區域有復雜的射電輻射結構和較強的星際閃爍，在以往的大多數低頻射電巡天項目中，對暫現源的搜尋往往局限于遠離銀道面的區域，沒有對周期為幾分鐘到幾小時的暫現源進行過系統地搜尋。

“該發現是首次在銀道面區域探測到長周期暫現源，后續如果能探測到更多具有類似特征的暫現源并揭示其物理性質，可能意味著銀河系內存在一類具有超強磁場的長周期星體。”張翔說。

目前，該團隊正在開展系統性的搜尋，以期發現更多這種類型的星體，并建立一個大樣本進行統計研究，從而填補磁星研究空白。

助力全球SKA科學家

“該研究的難點是數據量特別大，數據處理過程中多個超算設備參與了計算。”張翔說，“該暫現源的發現得益于高靈敏度的SKA低頻先導射電望遠鏡，以及根據SKA數據特點定制的SKA計算集群。”

由于項目的原始數據量巨大，數據處理中間過程產生的數據量超過1000萬個圖像文件，數據處理過程復雜，數據處理軟件對計算集群的訪存輸入輸出帶寬、數據帶寬、高并發任務和高并行化處理都有極高要求。

張翔介紹說，基于SKA偏振數據處理的特點和極高要求，上海天文臺作為MWA的正式成員，利用其自主研發的中國SKA區域中心原型機，在國家科技部、中國科學院以及SKA中國辦公室的支持下，聯合國際SKA科學團隊針對SKA重點科學目標開展了一系列科學研究。

研究中，中國SKA區域中心原型機承擔了該項目部分MWA數據的存儲，參與了寬波段偏振數據的處理，完成了部分偏振圖像的分析，并與澳大利亞SKA區域中心的計算設備共同完成了其他數據處理任務。

“未來我們將持續為SKA先導望遠鏡的大型巡天項目提供計算資源和技術支持，助力全球SKA科學家產生更多原創成果。”張翔說。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-021-04272-x