中国科学院紫金山天文台高能时域天文研究团组牵头的国际合作组利用中国科学院国家授时中心昊平观测站40米射电望远镜，成功探测到来自近邻星系M81球状星团中的快速射电暴（Fast Radio Burst, FRB）重复暴源FRB20200120E的超亮爆发。这一发现填补了近邻快速射电暴与宇宙学距离快速射电暴之间的能量空白，研究成果以“A bright burst from FRB 20200120E in a globular cluster of the nearby galaxy M81”为题于2024年8月28日发表在《自然•通讯》（Nature Communications）杂志上。
快速射电暴自2007年首次报道发现以来，其起源一直是当代天文学的一个未解之谜。目前已公开的快速射电暴源有上千例，这些源中已经探测到宿主星系和红移的约有50个。根据是否探测到重复爆发，快速射电暴主要分为重复爆发和一次性爆发两类，其中具有重复爆发特性的占少数，绝大多数在观测上表现为一次性爆发。最近几年内发现两例近邻快速射电暴源，为人类理解FRB的天体物理起源、爆发和辐射机制提供了重要线索。2020年4月28日来自银河系内磁陀星SGR 1935+2154产生的一次性快速射电暴FRB 20200428，揭示爆发的驱动机制可能由核心坍缩超新星形成的超强磁场中子星/奇异星主导。同年，通过欧洲甚长基线干涉网（EVN）定位到来自距离地球约1200万光年外的M81星系球状星团[PR95] 30244的重复暴FRB20200120E，则暗示其可能由某种与年老星族有关的未知驱动机制产生。这两种形成机制可能对于天文学家理解绝大多数起源于更遥远的宇宙深处的快速射电暴具有重要参考价值。然而，这两例近邻事件的射电爆发能量远低于其他来自宇宙深处的快速射电暴。
研究团队利用昊平望远镜对FRB 20200120E进行了长时间观测，最终在1.1-1.7 GHz频率范围内探测到该源的一个极亮射电暴。其能量比此前在该波段探测到的亮度高出42倍，约达到来自宇宙深处快速射电暴中最弱重复暴能量的1/3，填补了近邻暴与宇宙学暴的能量区间空白。随着这一新探测结果的加入，FRB 20200120E的能量分布已经覆盖到了典型快速射电暴样本的能量范围，并可能与核心坍缩形成的磁陀星和年轻脉冲星的辐射机制存在一定联系。研究团队还探讨了球状星团中可能存在的三种快速射电暴中心引擎，即年轻磁陀星爆发、年轻脉冲星的巨脉冲，以及中子星相互作用模型，提出球状星团内可能存在不同于传统磁陀星形成路径的快速射电暴形成通道。这是首次探测到足够亮、能够在宇宙学距离上观测到的球状星团快速射电暴的爆发，为理解这类神秘现象的形成机制提供了新的视角和有力证据。该研究在揭示球状星团内快速射电暴形成机制方面提供了重要观测，并对未来快速射电暴的观测策略提出了新的思路。
紫金山天文台/中澳天文联合研究中心ACAMAR博士后张松波、马克斯普朗克核物理研究所博士后王界双、紫金山天文台博士生杨轩为论文共同第一作者。紫金山天文台吴雪峰研究员、图书馆VIP戴子高教授、内华达大学拉斯维加斯分校张冰教授为论文共同通讯作者。这项研究得到了论文合作者、国家授时中心罗近涛研究员与昊平观测站的大力支持，以及科技部平方公里阵列射电望远镜（SKA）专项项目、国家自然科学基金委（创新研究群体、专项重点群等）、中国科学院（国际合作局国际伙伴计划、青年创新促进会等）、中澳天文联合研究中心ACAMAR博士后基金和德国洪堡基金资助。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-51711-0
图 1：各类射电脉冲源的脉冲宽度与光度分布。红色实星代表本研究中探测到的FRB 20200120E超亮爆发。灰色虚线表示恒定的各向同性等效能量。此次探测到的超亮爆发，填补了各类射电脉冲源在能量上的空白区域，特别是两颗近邻FRB和其他宇宙深处FRB的能量间隙。