先来看一张图：

图1：九龙图，作品选取了南宋画家陈容《九龙图》的局部进行再创作（图片来源：之江实验室）

(资料图片)

又有诗曰：

散随平野尽，爆入大荒流。

星黑双双走，天眼辰星游。

江山逐远去，绿岸静默收。

宇波涟漪里，宙生又几秋。

你可能会好奇：这龙、这环状火焰代表什么？为何会与中国天眼FAST同屏出现？首联化用李白《渡荆门送别》的诗，又暗藏什么玄机？

差点被误会为微波炉信号的FRB，是怎么被发现的？

首先说明，上图的环状火焰象征黑洞，FRB是快速射电暴（Fast Radio Bursts）的英文缩写。

快速射电暴（FRB）是一类极为神秘的现象，物理起源未知。它们能在极短的时间内释放出强烈的射电信号。在过去的十几年里，快速射电暴一直是射电天文学领域中最受关注的课题之一。（点击此处回顾有关FRB的有用知识~）

2007年，第一个真正的FRB信号被邓肯·洛里默（Duncan Lorimer）发现，被称为洛里默暴（图2）。当时，这个结果存在争议，被认为是类似微波炉的人工干扰信号。直到2013年，桑顿·斯塔珀斯（Thornton Stappers）等人又发现了4个相似的信号，人们才相信这是一种快速高能的天体现象，并决定将其称为“快速射电暴”（Fast Radio Bursts，FRBs）。

FRB的命名源于其射电信号的短暂和高能量，其频率从几百兆赫兹到数千兆赫兹不等。这些射电信号通常只持续几毫秒到几十毫秒，但释放的能量却极大，相当于太阳持续爆发一年所产生的能量。

图2: 射电暴爆发的频率演化和脉冲整体形状。该次调查数据搜集于2001年7月24日，本图显示了强度随射电频率和时间的二维“瀑布图”。信号随着频率降低而变宽。通过使用标准脉冲星定时技术测量接收机频带上的脉冲延迟，色散测量值为375±1 cm−3 pc。两条分开15毫秒的白线界定了脉冲的上、下边界，符合冷等离子色散定律的预期行为。横跨约1.34 GHz的横线是由于频率通道故障所导致的数据伪像。插图子图展示了基于375 cm−3 pc的色散延迟校正及参考频率为1.5165 GHz后的总功率信号，其时间轴也跨越0-500毫秒。

至于FRB后面跟着的一串数字，其实是观测到该快速射电暴的日期。FRB通常以被观测到的日期作为命名规则。如2007年首次发现的FRB 010724是在2001年7月24日被观测到的。

快速带你认识快速射电暴（FRB）的四个特征

那么，FRB有什么显著特征呢？我们可从四个方面来进行把握。

1.重复性

2016年，科学家再次观测到了FRB 121102的爆发，这一发现引起了广泛的关注。人们将这种重复爆发的FRB称为“重复暴”，而只发生一次的FRB则被称为“非重复暴”。目前全球共发现了至少700个FRB，其中63个是重复暴。

随之而来的问题是，是否所有的快速射电暴都会重复爆发？是否有只爆发一次的快速射电暴会再次被观测到？（中国天眼FAST就非常适合执行这些后续监测任务）。另外，重复爆发的快速射电暴是否具有周期性，仍然是一个未解之谜。迄今为止，只有一个FRB被确认具有周期性，即FRB 20180916，周期是16.35天。此外，通过观测发现，FRB 20121102也可能存在一个159天的周期，但需要进一步的研究来验证。

2.重复暴能量谱与特征能量

FRB 20121102 非常特殊，因为它的重复率极高。2019年，中国科学院国家天文台李菂研究员的团队利用中国天眼FAST成功捕捉到了FRB 20121102 的极端活动期，在59.5小时内，团队获得了1652个高信噪比的爆发信号，在最剧烈的时段达到每小时122次爆发。

相较之前普遍局部的能量谱图，此次发现首次揭示了快速射电暴爆发率存在特征能量4.8x1037erg并具有双峰结构（图3），严格限制了单一磁陀星起源等多种模型，揭示了快速射电暴的基础物理机制。通过59.5小时观测的1652 次爆发计算得出的总各向同性的能量为3.4x1041 erg。

图3: FRB 20121102 爆发的各向同性等效能量在1.25 GHz 的爆发率分布。红色曲线显示了双峰的“对数正态分布（虚线蓝色）+柯西分布（实线蓝色）”，黑色曲线展示了对于能量E ≥ Eh = 3 × 1038 erg 的爆发的单一幂律拟合。红色虚线为90％望远镜探测完整性阈值，对应于3 ms的脉冲宽度假设下的E90 = 2.5 × 1037 erg。向上箭头表示未被探测的低于E90的弱爆发，这将使对数正态分布变宽，但不会影响峰值E0的位置。

3.定位

重复快速射电暴的发现引起了人们对其宿主星系定位的密切关注。FRB 20121102是第一个被定位的快速射电暴。2017年米沙·查特吉（Shami Chatterjee）等人使用VLA望远镜综合孔径成像技术将其定位于一个矮星系的恒星形成区。此研究确定其宿主星系红移，揭示了其宇宙学起源，被美国天文学会称作“自LIGO引力波测量之后天文学最重大的发现”。

随后，越来越多的FRB被定位。2019年，基斯·班尼斯特（Keith Bannister）等人首次定位非重复暴FRB 180924，而在2022年，弗朗兹·柯尔斯顿（Franz Kirsten）等人将FRB 200120定位于M81星系中的球状星团。

定位可以直观地研究射电暴所处环境，从而约束其起源。但对于FRB的定位，特别是远距离的定位，非常困难。以阿雷西博（Arecibo）望远镜的3角分定位精度为例，在Gpc尺度的距离上这个张角里包含太多的星系。因此，科学家们还会通过FRB的偏振来侧面研究所处环境的磁场信息。

4.偏振

偏振是射电天文学中非常重要的测量参数，可提供关于辐射机制和辐射源结构的信息。2015年，艾米莉·佩特罗夫（Emily Petroff）等人报告了第一个FRB偏振测量结果，表明该暴圆偏振度高达21%。随后，伊藤·马苏伊（Kiyoshi Masui）等人发现FRB 110523的线偏振度为44%，并得到线偏振的法拉第旋转量 (rotation measure, RM) 为 -186.1 rad m-2。

电磁波穿过磁化等离子体时，会产生振动方向的改变，这被称为法拉第旋转（图4）。快速射电暴在到达地球之前会通过宇宙中的等离子体，受到磁场影响会发生法拉第旋转，导致振动方向发生变化。因此，可以通过分析法拉第旋转量RM来反推快速射电暴所经过的宇宙磁场环境。

RM的数值反映了电子密度和磁场强度，电子密度和磁场强度越大，振动方向旋转的角度越大，对应的法拉第旋转量也越大。同时，法拉第旋转的符号反映了视线磁场的指向。

图4：法拉第旋转指的是电磁波穿过磁化等离子体发生振动方向改变的现象。图中快速射电暴通过快速射电暴源周边的磁化等离子体，振动方向发生了变化，到达地球时已经和刚发出时不一样。

自此以后，越来越多的FRB被测量出强烈的线偏振和RM的特征。2016年维克拉姆-拉维（Vikram Ravi）等人用帕克斯（Parkes）望远镜测量了FRB 150807 80%线偏振的RM低至12 rad m-2，揭示其周围介质磁化程度极低。2018年丹尼尔·米希利（Daniele Michilli）等人用绿岸望远镜（GBT）和阿雷西博（Arecibo）望远镜测量了FRB 121102 100%线偏振的RM高达1.46×105 rad m-2，揭示其有可能来自于高度磁化的环境。

2022年冯毅等人发现FRB偏振频率演化关系（图5），研究快速射电暴周边环境。文章首次提出了能够解释重复快速射电暴偏振频率演化的统一机制，即重复暴信号会经历其周边复杂等离子体的多路径散射，可由单一参数“RM弥散（σRM）”描述。“RM弥散”越大对应其周边环境变化越剧烈，也很可能越年轻，有潜力成为辨识重复暴的重要物理参数。FRB 190520具有已知最大的RM弥散，FRB121102次之，它们可能代表演化的早期阶段，为最终确定FRB起源提供了关键证据，为构建重复快速暴的演化图景奠定了基础。

图5: 快速射电暴源的线偏振度与RM弥散（σRM）高度一致。数据点（含误差条）表示每个快速射电暴的频率-线偏振度关系（颜色信息在右侧标注）。彩色线条为辐射模型，其固有偏振度为100%，然后根据模型在不同的σRM水平下去极化，分别拟合于每个快速射电暴上。箭头表示95%的上下限。样本中的所有暴与RM散射模型一致。符号形状显示每次观测所使用的望远镜：FAST、 CHIME、GBT、AO、VLA、LOFAR和ASKAP。

反转！17个月的监测，带来有关快速射电暴的最新发现

近年来，李菂研究员组织国际团队对FRB 190520进行了17个月的监测，发现其法拉第旋转量经历了两次正负值反转的剧烈变化，揭示了世界首例持续活跃重复暴的磁场反转，相关论文于5月12日发表在国际科学期刊《科学》上。

图6：李菂/ScienceApe/中国科学院供图

此次重磅成果涉及了横跨地球三大洲的国际大型设备的观测：李菂团队利用位于澳大利亚的帕克斯望远镜和位于美国的绿岸望远镜（GBT）对中国天眼FAST发现的世界首例持续活跃快速射电暴FRB 20190520B进行了长期的监测，对观测数据的综合分析首次揭示了其周边磁场的极端反转，表明FRB 20190520B可能处在双星系统中，双星的伴星可能是黑洞或者大质量恒星（图6）。

这种以月为时间单位的磁场极端反转，很可能由伴随快速射电暴的大质量天体造成。快速射电暴信号穿过大质量恒星星风甚至黑洞喷流造成的磁化等离子体环境，随着双星相互绕转发生信号磁特征的方向反转。“重复快速射电暴周围磁场的湍动成分可能像毛线团一样杂乱无章”，论文的合作者云南大学杨元培教授解释道。该发现表明快速射电暴源周围的磁化环境存在剧烈演化，为揭示快速射电暴的起源和环境迈出了重要一步。未来，对于中国天眼发现的FRB 20190520B的持续监测有望进一步揭示快速射电暴的起源和环境。

图7 ：FRB 20190520B的观测时间和频率相关特性。(A) 显示了测量FRB 20190520B的静止坐标系RM，粉色条形阴影区域表示0 rad m-2。(B) 显示了17个月期间FRB 20190520B的DM变化情况。在(A)和(B)中，误差条指示1σ的不确定性，但大多数都比符号小。(C) 显示了FRB 20190520B的偏振度与观察频率的关系，数据点指示GBT L波段(蓝色)、GBT C波段(黑色)和Parkes UWL(红色)。实心符号代表探测，带向下箭头的空心符号代表3σ的上限。

在介绍上述知识后，我们也能够揭开文章开头图片暗藏的玄机了：实际上，开篇的图是以磁场反转为纽带，以双星模型为支撑点，恰似一副《九龙图》展现于眼前。背景以汹涌波涛象征宇宙空间，三台望远镜矗立其中，窥视宇宙奥秘；主体以环状火焰象征黑洞，与龙星共舞于浑天轨道之上；并有RM测量点图表于波涛中浮现，呼应本次双星环绕磁场反转的观测结果。

总而言之，FRB领域是一个充满了神秘和挑战的研究领域。在不断的发展和进步中，我们有望理解快速射电暴的本质，解开宇宙中的更多奥秘。

参考文献：

[1] D. R. Lorimer, M. Bailes, M. A. McLaughlin, et al., A bright millisecond radio burst of extragalactic origin. Science, 2007, 318, 777–780.

[2] Thornton D, Stappers B, Bailes M, et al., A population of fast radio bursts at cosmological distances. Science, 2013, 341:53–56.

[3] L. G. Spitler, P. Scholz, J. W. T. Hessels, et al., A repeating fast radio burst. Nature, 2016, 531, 202–205.

[4] CHIME/FRB Collaboration, Amiri M, Andersen B C, Bandura K M, et al., Periodic activity from a fast radio burst source. Nature, 2020, 582, 351-355.

[5] Rajwade K M, Mickaliger M B, Stappers B W, et al., Possible periodic activity in the repeating FRB 121102. MNRAS, 2020, 495: 3551-3558.

[6] Li D, Wang P, Zhu W W, et al., A bimodal burst energy distribution of a repeating fast radio burst source. Nature, 2021, 598, 267-271.

[7] Chatterjee S, Law C J, Wharton R S, et al., A direct localization of a fast radio burst and its host. Nature, 2017, 541: 58-61.

[8] Tendulkar S P, Bassa C G, Cordes J M, et al., The host galaxy and redshift of the repeating fast radio burst FRB 121102. Astrophys. J. Lett., 2017, 834: L7.

[9] Bannister K.W., Deller A.T., Phillips C., et al., A single fast radio burst localized to a massive galaxy at cosmological distance. Science, 2019, 365, 565.

[10] Kirsten, F., Marcote, B., Nimmo, K. et al., A repeating fast radio burst source in a globular cluster. Nature, 2022, 602, 585–589.

[11] Petroff E, Bailes M, Barr E D, et al., A real-time fast radio burst: polarization detection and multiwavelength follow-up. MNRAS, 2015, 447(1): 246-255.

[12] Masui K, Lin H H, Sievers J, et al., Dense magnetized plasma associated with a fast radio burst. Nature, 2015, 528(7583): 523-525.

[13] Ravi V, Shannon R M, Bailes M, et al., The magnetic field and turbulence of the cosmic web measured using a brilliant fast radio burst. Science, 2016, 354(6317): 1249-1252.

[14] Michilli D, Seymour A, Hessels J W T, et al., An extreme magneto-ionic environment associated with the fast radio burst source FRB 121102. Nature, 2018, 553(7687): 182-185.

[15] Feng Y, Li D, Yang Y P, et al., Frequency-dependent polarization of repeating fast radio bursts—implications for their origin. Science, 2022, 375(6586): 1266-1270.

[16] Reshma Anna-Thomas, Liam Connor, Shi Dai, et al., Magnetic field reversal in the turbulent environment around a repeating fast radio burst. Science, 2023, 380, 599-603.

作者：郑沄 徐佳莹

作者单位：之江实验室

关键词：