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创纪录的无线电爆发追溯到宇宙早期的恒星形成时代

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Observation of the first detected fast radio burst as described by Lorimer et al. (2007). Note that this is the brightest detection. In the Lorimer paper the figure was of the detection in another beam (and hence is weaker).
图片: Psr1909 · CC BY-SA 4.0 · Wikimedia Commons

要点

天文学家测量了有史以来记录的最遥远的快速无线电爆发FRB 20240304B的距离,它离开其源头时宇宙约为30亿年历史。詹姆斯·韦布太空望远镜将这次毫秒级的爆发追溯到一个小的、正在活跃形成恒星的矮星系——而不是研究人员预期的大型、成熟的星系。

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根据2026年10月发表在《科学》杂志上的一项研究,一个持续时间约为千分之一秒的无线电信号已成为有史以来测量的最遥远的快速无线电爆发(FRB)。这次爆发被指定为FRB 20240304B,在到达地球之前已经传播了超过100亿年,起源于宇宙约为30亿年历史的时期。

检测到了什么,以及如何检测

这次爆发于2024年3月4日首次被南非MeerKAT射电望远镜阵列上的MeerTRAP仪器捕捉到。快速无线电爆发是短暂的、强烈的无线电波闪烁,其物理起源仍在争议中;已对数千个进行了编目,但只有少数被确认了其母星系。

为了确定信号传播的距离,由悉尼大学的玛妮莎·卡莱布领导的研究人员求助于美国航空航天局的詹姆斯·韦布太空望远镜。韦布的NIRCam仪器定位了这个微弱的母星系,其NIRSpec仪器测量了星系的红移为2.148——这是天文学家用来计算宇宙距离和光线发出时宇宙年龄的数据。这个红移将爆发的起源点放在大爆炸后约30亿年,在一个通常被称为"宇宙正午"的时期,当时整个宇宙的恒星形成处于高峰。

根据phys.org的报道,这一结果是先前快速无线电爆发距离记录的两倍多。

一个远小于预期的星系

母星系本身是最大的惊喜。卡莱布和同事们预期会发现一个大的、发育良好的星系,类似于许多以前确认的快速无线电爆发母星系。相反,韦布的图像和谱线显示的是一个矮星系,质量约为典型快速无线电爆发母星系的千分之一,重元素含量低,并处于一次强烈的恒星形成爆发之中:根据美国航空航天局的研究总结,估计其90%的恒星质量是在过去3000万年内形成的。

我们以为它会是一个大的、发育良好的星系,有很多星星,但实际上它是一个小矮星系。

— 玛妮莎·卡莱布,悉尼大学,主要作者

在phys.org报道的一份单独声明中,卡莱布表示,这次爆发是从宇宙仅约30亿年历史的时期捕捉的,并补充说研究人员利用这一短暂的无线电光线闪烁来研究它在数十亿年中经过的物质——强调了快速无线电爆发如何可以用作探测遥远早期宇宙的工具。

为什么母星系对快速无线电爆发理论很重要

快速无线电爆发没有单一的已确认源头。主要的解释包括磁星——具有极强磁场的年轻中子星,通常由最近的超新星产生——以及分别地,两颗较老中子星的最终合并,这个过程在星系恒星形成后需要更长的时间才能发生。

因为FRB 20240304B的母星系非常年轻且仍在快速形成恒星,研究团队倾向于用磁星解释来说明这次爆发。美国航空航天局对该研究的说明指出,在像这样的恒星形成星系中,一颗年轻的、高度磁化的中子星可能在附近的超新星之后快速形成,而中子星合并的情景通常需要在恒星形成开始后有更长的延迟。

FRB 20240304B一览
属性测量
爆发持续时间约为千分之一秒
检测日期2024年3月4日
检测仪器MeerKAT / MeerTRAP,南非
红移2.148
发射时的宇宙年龄约30亿年
到达地球的传播时间超过100亿年
母星系质量约为典型快速无线电爆发母星系质量的千分之一
最近的恒星形成恒星质量的90%在过去3000万年内形成

仍然存在的不确定性

该研究将FRB 20240304B确定为迄今为止红移已确认的母星系的最遥远的快速无线电爆发,但研究人员警告说,单一的案例无法解决关于什么导致快速无线电爆发的更广泛的辩论。作者指出,这一发现表明在星系的恒星形成和其产生快速无线电爆发的能力之间几乎没有延迟,但他们没有排除其他对在宇宙其他地方观察到的不同爆发的前身模型。

根据美国航空航天局和phys.org对该论文的说明,研究团队包括悉尼大学的蒂米亚·纳纳亚卡拉和劳拉·德里森,以及曼彻斯特大学的本·斯塔珀斯,还有卡莱布。

常见问题

FRB 20240304B是什么?
它是一次快速无线电爆发——一次毫秒级的无线电波闪烁——于2024年3月4日被南非的MeerKAT望远镜检测到。它是迄今为止被测量的具有已确认母星系距离的最遥远的快速无线电爆发。
信号发射时宇宙有多久?
根据美国航空航天局关于詹姆斯·韦布太空望远镜测量的报告,爆发的母星系的红移为2.148,这意味着信号离开其源头时宇宙约为30亿年历史。
为什么母星系令人惊讶?
天文学家预期发现一个大的、成熟的星系,但发现了一个矮星系,其质量大约是典型快速无线电爆发母星系的千分之一,这个星系正在积极形成恒星,其90%的恒星质量是在过去3000万年中形成的。
什么导致快速无线电爆发?
确切的原因尚未确认,但主要理论指向磁星(高度磁化的年轻中子星)或较老中子星的合并。根据研究作者,这次爆发年轻、恒星形成的母星系倾向于支持磁星解释。
哪些望远镜参与了这一发现?
南非的MeerKAT射电望远镜阵列使用MeerTRAP仪器检测到了爆发,而美国航空航天局的詹姆斯·韦布太空望远镜(NIRCam和NIRSpec仪器)识别了母星系并测量了其距离。

来源

  1. NASA Science — Webb Measures Distance to Farthest Fast Radio Burst, Suggesting Origin
  2. ScienceAlert — A Mysterious Signal Reached Us From When The Universe Was Just 3 Billion Years Old
  3. Phys.org — Astronomers pinpoint the most distant fast radio burst ever detected

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