|作者：李曄1, ?　張松波1　楊元培2

(1 中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)）

(2 云南大學(xué)中國(guó)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(yáng)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(lái)，快速射電暴已成為天文學(xué)中最神秘的熱點(diǎn)研究對(duì)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(cè)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(chǎng)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(chǎng)中子星的磁層活動(dòng)過(guò)程。主要證據(jù)來(lái)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(duì)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(wèn)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(zhǎng)期以來(lái)始終缺乏直接、清晰的觀測(cè)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(cè)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(cè)量是研究傳播路徑上電子密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的重要方式。當(dāng)電磁波穿過(guò)磁化等離子體時(shí)，其偏振角會(huì)隨波長(zhǎng)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(chǎng)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(duì)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(chǎng)強(qiáng)度與方向信息，使其成為探測(cè)致密天體附近磁結(jié)構(gòu)演化的獨(dú)特“磁環(huán)境探針”。

對(duì)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(zhǎng)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(duì)法拉第旋轉(zhuǎn)量的長(zhǎng)期、高精度監(jiān)測(cè)，為研究快速射電暴周圍環(huán)境提供了難得的觀測(cè)窗口。

3 FAST對(duì)快速射電暴FRB 20220529的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)

中國(guó)“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(cè)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(guó)“天眼”的觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)重復(fù)快速射電暴FRB 20220529進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)2.2年的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)[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(cè)。這一特性使其成為體現(xiàn)FAST靈敏度及偏振測(cè)量能力的理想目標(biāo)，同時(shí)也意味著對(duì)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(cè)時(shí)間(a)、探測(cè)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?？梢钥吹剑?023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(guò)觀測(cè)視線的全過(guò)程，為雙星起源假說(shuō)提供了直接證據(jù)

在觀測(cè)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(duì)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(cè)記錄(圖2)。

更為引人注目的是，該異常并非長(zhǎng)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(shì)(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(guò)程，在快速射電暴觀測(cè)中尚屬首次。

這一觀測(cè)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(guò)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(jiàn)：一團(tuán)磁化的等離子體云在數(shù)周時(shí)間尺度內(nèi)穿過(guò)了地球與快速射電暴源之間的觀測(cè)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(guò)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(guò)程可以參考太陽(yáng)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(guò)程中，星風(fēng)進(jìn)入觀測(cè)視線，從而導(dǎo)致法拉第旋轉(zhuǎn)量的顯著躍變。無(wú)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(wú)論是強(qiáng)磁場(chǎng)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(cè)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(cè)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(guó)“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(cè)時(shí)間的進(jìn)一步積累，以及對(duì)更多重復(fù)快速射電暴的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，類似的磁環(huán)境瞬態(tài)事件有望在未來(lái)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(guò)程提供了新的觀測(cè)窗口。這項(xiàng)研究成果已發(fā)表于國(guó)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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