天文學(xué)家利用一個宇宙之謎探測另一個宇宙之謎，分析了一次快速射電爆發(fā)信號，這是持續(xù)不到一毫秒的宇宙無線電波的神秘爆炸，以表征一個巨大星系光暈中的彌散氣體。一個巨大的低密度氣體光暈遠遠超出了星系中恒星聚集的發(fā)光部分。

盡管這種炎熱的彌散氣體比恒星更多地構(gòu)成了星系質(zhì)量，但幾乎不可能看到。2018年11月天文學(xué)家探測到一個快速的無線電爆發(fā)，它在一個巨大星系向地球的途中穿過，這是第一次從一個難以捉摸的無線電信號中獲得了光暈氣體性質(zhì)的線索。

加州大學(xué)圣克魯茲分校(UC Santa Cruz)天文學(xué)和天體物理學(xué)教授J·澤維爾·普羅查斯卡(J.Xavier Prochaska)說：快速無線電爆發(fā)發(fā)出的信號，暴露了星系周圍磁場的本質(zhì)和光暈氣體的結(jié)構(gòu)。這項研究證明了一種探索星系暈本質(zhì)的新變革性技術(shù)。普羅查斯卡是這項于2019年9月26日發(fā)表在《科學(xué)》(Science)期刊上一篇關(guān)于新發(fā)現(xiàn)論文的主要作者。天文學(xué)家仍然不知道是什么產(chǎn)生了快速的射電爆發(fā)，直到現(xiàn)在，才能夠追蹤到這些非常短，非常明亮無線電信號中的一些，追溯到它們起源的星系。

2018年11月的爆發(fā)(命名為FRB 181112)是由開創(chuàng)這項技術(shù)的儀器檢測到并定位，該儀器是CSIRO的澳大利亞平方千米陣列探路器(ASKAP)射電望遠鏡。用其他望遠鏡進行的后續(xù)觀測不僅確定了它的宿主星系，而且還發(fā)現(xiàn)了它前面的一個明亮星系。當(dāng)覆蓋無線電和光學(xué)圖像時，可以立即看到，快速無線電爆發(fā)穿透了這個重合前景星系的光暈，并且，第一次有了一種直接的方式來研究這個星系周圍這個原本不可見的物質(zhì)。銀河暈既包含暗物質(zhì)，也包含普通物質(zhì)(“重子”)，預(yù)計這些物質(zhì)主要是熱電離氣體。

雖然一個巨大星系的發(fā)光部分可能直徑約為3萬光年，但球狀光暈大約是它的十倍大（約30萬光年）。光暈氣體在落向星系中心時為恒星形成提供燃料，而其他過程(如超新星爆炸)可以將物質(zhì)噴射出恒星形成區(qū)域并進入星系光暈。天文學(xué)家想要研究光暈氣體的一個原因是為了更好地了解這些噴射過程，這可以關(guān)閉恒星的形成。光暈氣體是這些噴射過程的化石記錄，因此，觀察可以提供關(guān)于物質(zhì)如何噴射以及磁場如何穿過星系的理論。與預(yù)期相反，新研究結(jié)果表明，在這個中間星系的光暈中存在非常低的密度和微弱磁場。

這個星系的光暈令人驚訝地平靜，無線電信號在很大程度上沒有受到星系的干擾，這與之前的模型預(yù)測爆發(fā)情況形成了鮮明的對比。FRB 181112信號由幾個脈沖組成，每個脈沖持續(xù)不到40微秒(比眨眼的時間短一萬倍)。脈沖短持續(xù)時間對光暈氣體的密度設(shè)置了上限，因為通過更密集的介質(zhì)會延長無線電信號。研究人員計算出光暈氣體的密度，必須小于每立方厘米一個原子的十分之一(相當(dāng)于一個兒童氣球大小的體積中的幾百個原子)。澳大利亞科廷大學(xué)國際射電天文學(xué)研究中心的天文學(xué)家Jean-Pierre Macquart說：

就像炎熱夏日里閃爍的空氣一樣，這個巨大星系中稀薄的大氣應(yīng)該會扭曲快速射電爆發(fā)信號。相反，收到的脈沖是如此的原始和尖銳，以至于根本沒有這種氣體的特征。密度限制也限制了光暈內(nèi)湍流或冷氣云的可能性(“冷”是一個相對術(shù)語，這里指的是溫度在10000開爾文左右，而熱暈氣體在100萬開爾文左右)。一個受歡迎的模型是，光暈被成團的氣體云所彌漫，天文學(xué)家找不到這些云層的任何證據(jù)。FRB信號還產(chǎn)生關(guān)于光暈中磁場的信息，這影響無線電波的極化。

分析偏振作為頻率的函數(shù)給出了光暈“旋轉(zhuǎn)測量”，研究人員發(fā)現(xiàn)它非常低，光暈中的弱磁場比冰箱磁鐵弱十億倍。在這一點上，由于只有一個星系光暈的結(jié)果，研究人員無法說出這種出人意料的低密度和磁場強度是否是不尋常的，或者先前對星系光暈的研究是否高估了這些特性。ASKAP和其他射電望遠鏡將使用快速射電爆發(fā)來研究更多星系暈并解決它們的性質(zhì)。這個星系可能是特別的，天文學(xué)家將需要使用FRBs來研究不同質(zhì)量和年齡范圍內(nèi)的數(shù)十或數(shù)百個星系，以評估整個人口。

博科園｜研究/來自：加利福尼亞大學(xué)圣塔克魯茲分校

參考期刊《科學(xué)》

DOI: 10.1126/science.aay0073

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