2月19日，就在人们谈论美国火星车软着陆的时候，中国科学家向全世界宣布了一项有影响力的新成果。北京时间19日00: 00，国际著名期刊《自然·天文学》在网上发布了中国“贵燕”卫星的最新观测结果:首次发现并证明神秘的快射电暴来自银河系中的一颗磁星，揭开了快射电暴起源之谜！
虽然现在才2月，但这一发现几乎锁定了今年天文学十大发现之一。那么这个发现有多“牛逼”呢？这就是解读。
密信号码
快速射电暴是2007年发现的一种神秘的天文现象，是指在射电波段突然出现的瞬间爆发。这个名词分解成三个关键词，一个是“无线电”，意思是爆炸出现在无线电波段；第二种是“快”，通常只持续几毫秒；第三种是“风暴”，指突然猛烈的能量释放。天文学家估计，1毫秒快速射电风暴的平均能量相当于太阳在几天内产生的能量总和。有些射电暴只出现一次，有些则会反复出现。
全天快速射电暴位置分布 全天快速射电爆发的位置分布
然而，快速射电爆发的机制和来源是当今天文学中最大的难题之一。由于其很强的随机性和爆炸性，有人甚至认为这是宇宙中一个相当先进的神秘外星文明在使用一些黑科技时释放出来的。当然，在大多数科学家眼里，“外星人理论”只能作为最后的选择。考虑到射电暴是能量非常集中的电磁波，应该伴随着强磁场，研究人员认为，中子星、磁星、黑洞、类星体、超新星等极端天体很可能会产生快速射电暴。因此，已经提出了50多个物理模型。
中子星被认为是快速射电暴的来源之一 中子星被认为是快速射电爆发的来源之一
找出快速射电暴的根源有两个关键点:一是找到它们对应的天体；第二，看到快速射电暴在其他电磁波中的辐射，如X射线和γ射线，从而更好地描述它们的物理机制。自从发现快速射电暴以来，只发现了40个左右，大部分都在银河系以外的遥远星系，真正的来源一直没有找到。
梅侯
回到2020年4月中旬，距离地球31000光年的磁星SGR J1935+2154进入了一个新的活跃期。磁铁矿，被认为是中子星之一，是一种密度极高的天体，直径只有20公里左右，但质量可以达到太阳的三倍，自转速度也很快。它的表面磁场强度是地球磁场的一万亿倍以上。这颗磁星SGR J1935+2154的磁场强度约为220万亿高斯。它位于银河系的一个超新星遗迹中，旋转一次只需要3.24秒。它在2014年被发现后不久，就引起了天文学家的广泛关注，因为它是最活跃的磁星之一，在2015年2月、2016年5月至7月和2019年11月都有活动记录。理论物理学家认为磁星是快速射电爆发的主要候选者之一。
磁星的艺术想象画 磁星的艺术想象绘画
4月27日，位于空之间的“雨燕”γ射线爆发探测器记录到多次软γ射线爆发，甚至在短短2分钟内出现数百次爆发，其来源高度怀疑是银河系中的SGR J1935+2154。收到“雨燕”警报后，世界各地的天文学家都采取了积极的行动，将天线和空望远镜相继对准它。28日7时55分至8时50分，在短短1小时内，费米望远镜记录了多达34次X射线或软伽马射线爆发。
4月28日上午10时许，北师大教师林琳向“贵燕”号卫星首席科学家张双南建议，用“贵燕”号进行观测。上午11时许，中科院科学地面运行控制系统空发出指令，中断了正在进行的“贵燕”号观测任务，转而瞄准SGR J1935+2154，利用极其宝贵的28.6小时望远镜时间进行专项观测。仅仅5个小时后，28日晚22时34分24秒，“护目镜”记录到一场明亮的X射线风暴！
这时，在地球的另一边，加拿大的CHIME和美国的STARE2两个实验项目同时捕获了一个亮度极高的快速射电暴，命名为FRB 200428。
CHIME射电望远镜 CHIME射电望远镜
x射线是频率比可见光高得多的电磁波，而无线电波是频率比可见光低得多的电磁波。虽然能量水平有很大的差异，但它们可能有着千丝万缕的联系。他们会来自同一个天体吗？
水落石出
CHIME团队在报告中指出，疫情出现两个明显的峰值，间隔时间为29毫秒，宽度分别为0.585毫秒和0.335毫秒。同时，“贵研”卫星监测到的高能级、中能级和低能级的X射线通量也出现了明显的峰值。更重要的是，双峰的结构、形状和时间间隔完全一致！同时观测到的俄罗斯KONUS-WIND探测器也证实了这一点。说明X射线爆发和快速射电爆发起源于同一个爆发。
FRB 200428 的双峰与“慧眼”观测到的X射线双峰 “贵研”观测到的FRB 200428双峰和X射线双峰
由于X射线不同于无线电能，无线电信号在行进过程中容易受到星际物质的影响，其速度比X射线慢，会造成一定的延迟现象。实际观测表明，“贵燕”观测到的X射线出现时间比CHIME和STARE2观测到的快射电暴FRB 200428早8.6秒，与色散延迟的预期完全一致。这进一步支持了他们有相同物理来源的判断。
快速射电暴 FRB 200428 的双峰晚于X射线双峰8.6秒 快速射电爆发FRB 200428的双峰比X射线的双峰晚8.6秒
而且，“贵燕”号卫星还绘制了X射线能谱，确定该事件不符合热辐射特征。比如白炽灯，我们的人体和恒星都可以看作是热辐射源，可以用普朗克定律和斯特凡-玻尔兹曼定律来描述。但许多天体，如中子星、类星体、星际分子射电源等，与热辐射有明显区别，被称为非热辐射源。非热辐射恰恰是快速射电暴的特征，因此这证实了这两个事件之间的必然联系。然而，非热X射线辐射在磁星中很少见。
“慧眼”卫星观测到非热辐射X射线能谱 “贵研”卫星观测的非热辐射X射线能谱
前一篇文章中提到的两个关键中的第二个，“找出快速射电暴的根本原因”，已经说得很清楚了。那么第一点，它从哪里来，能被证实吗？
CHEEM团队和STARE2团队都定位了快速无线电突发FRB 200428。但都是大面积扫描或勘测，在小范围内无法准确定位。只能做一个推断:这样强度的射电暴应该在银河系，在捕获到快速射电暴信号时，视场中最有可能的“活性分子”就是磁星SGR J1935+2154。
三个探测器视场及对磁星 SGR J1935+2154 的定位：蓝色椭圆为STARE2，红色圆圈为CHIME，白色等高线为“慧眼”卫星，红色十字为磁星 SGR J1935+2154 已知的位置 三个探测器的视场和磁星SGR J1935+2154的定位:蓝色椭圆为STARE2，红色圆圈为CHIME，白色轮廓线为“Goggles”卫星，红色十字为磁星SGR J1935+2154的已知位置
虽然可能性很大，但还没有敲定。相比之下，“护目镜”卫星有一个特殊的功能。虽然是X射线望远镜，虽然不是成像X射线望远镜，但有独特的准直器设计，可以高精度定位X射线暴。准直器的原理是什么？用一个不准确的类比，想象你用一根细试管从淋浴中接水。你必须将试管口对准淋浴，接受最多的水。试管口越倾斜，接收的水分越少。准直器可以根据X射线高能粒子在不同方向的通量，用数学方法反转源的方向。“贵燕”号卫星发现的位置距离SGR J1935+2154只有3.7个角点，相当于1/8满月的宽度，当时其视野内只有一个X射线源。除了“醒目”，欧洲INTEGRAL卫星还独立定位了辐射源。至此，2020年4月28日的X射线风暴和快速射电风暴的来源被牢牢锁定，即磁星SGR J1935+2154。
红框标注的地方为“慧眼”卫星上的准直器 红色方框标记的地方是“护目镜”卫星上的准直器
“慧眼”卫星准直器原理 “贵研”卫星准直器原理
证据链完整，案件告破！
意义深远
这是人类第一次确认快射电暴的起源，也是第一次起源于银河系的快射电暴。这无疑是理解快速射电暴物理本质的一个重要里程碑。
通常，我们对一个现象的理解，会经历一个从无到有、从浅到深、从现象到本质的过程。在2007年发现快速射电暴后，天文学家花了大约10年的时间逐渐了解其特征和规律，但对其来源和机制没有达成共识。FRB 200428及其后续观测，特别是“贵燕”卫星对相应天体的识别，让我们第一次确切知道了快速射电暴的来源，其中至少有一个是明确的。同时，《归言》还将X射线暴与快速射电暴联系起来，提供了高、中、低能级的数据，明确限制了许多相关的物理模型，从而为未来的研究指明了一条光明的道路。正因如此，FRB 200428的相关研究成果分别被英国《自然》杂志和美国《科学》杂志评为近一年十大科学发现和十大科学突破之一。
“慧眼”卫星效果图 “护目镜”卫星效果图
这一观测再次揭示了现代天文学全球化、多波段、联合作战的特点，也反映了粒子物理在天体物理研究中的作用日益明显。可以预见，未来在中子星、黑洞、类星体、引力波、暗物质等宇宙极端物体和现象的研究中将会看到更多的粒子物理。
让我们感到欣慰的是，“贵燕”卫星在这次观测发现中起到了决定性的作用，极大地助推了中国近代天文学的国际影响力。“贵研”卫星是我国第一颗介于空之间的X射线天文卫星，也是中国科学院四颗介于空之间的特种科学先导卫星之一。它于2017年6月发射，已经在轨道上运行了近4年。目前卫星状态良好，延长使用寿命是肯定的，未来必然会产生更多有价值的科研成果。
增强型X射线时变与偏振空间天文台效果图 增强的X射线时变和偏振空观测站效果图
你认为这就是结局吗？还有更多值得期待的！在不太遥远的未来，中国将推出新一代X射线望远镜eXTP，各项指标将达到国际领先水平。毫无疑问，它将成为世界上“旗舰”天文观测设备之一。你说牛不牛？
参考文献:
来自SGR J1935+2154和FRB 200428的非热X射线爆发的识别
一颗银河磁星发出的毫秒级明亮射电爆发
与银河磁星相关的快速射电爆发
克里斯托弗·博切内克等《STARE2:探测银河系中的快速射电暴》
快速射电爆发的物理机制
SGR 1935+2154年的射电/X光爆发:辐射机制和可能的QPOs
美国国家航空航天局的任务有助于精确定位独特的X射线、无线电波爆发的来源
