X射線暴起源：量子電動(dòng)力學(xué)磁重聯(lián)

《科學(xué)通報(bào)》英文版封面文章：與快速射電暴成協(xié)的X射線暴發(fā)的起源：量子電動(dòng)力學(xué)磁重聯(lián)。持續(xù)的磁坨星殼層的活動(dòng)扭曲磁場(chǎng)位型，在磁層某一高度觸發(fā)量子電動(dòng)力學(xué)主導(dǎo)的磁重聯(lián)（水平方向白色紡錘形態(tài)區(qū)域）。被加速粒子（正負(fù)電子，紅色和綠色點(diǎn)）與磁陀星表面產(chǎn)生的軟X射線光子（橘色波浪線）發(fā)生康普頓散射，產(chǎn)生觀測(cè)到的獨(dú)特X射線能譜（黃色波浪線）。（請(qǐng)點(diǎn)擊文末“閱讀原文”）

1968年，喬瑟琳·貝爾和安東尼·休伊用劍橋外的射電望遠(yuǎn)鏡意外發(fā)現(xiàn)了來(lái)自脈沖星的脈沖信號(hào)，開(kāi)啟了天文學(xué)家認(rèn)識(shí)宇宙中最致密天體——中子星的征程。

2007年，鄧肯·洛里默從帕克斯望遠(yuǎn)鏡的歷史檔案數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)一類(lèi)持續(xù)時(shí)間更短、輻射強(qiáng)度更高的新型射電脈沖，稱(chēng)為快速射電暴（Fast Radio Burst，簡(jiǎn)稱(chēng)FRB ）。憑借這一開(kāi)創(chuàng)性的工作，鄧肯·洛里默和其他兩位學(xué)者共同獲得了2023年邵逸夫天文學(xué)獎(jiǎng)。

經(jīng)過(guò)十幾年的研究，F(xiàn)RB的產(chǎn)生機(jī)制和物理起源仍是未解之謎。天文學(xué)家猜測(cè)磁陀星是產(chǎn)生FRB的最佳候選體。磁陀星一般認(rèn)為是磁場(chǎng)極強(qiáng)的中子星（也可能是奇異夸克星），其磁場(chǎng)可以達(dá)到十億特斯拉，是地球表面磁場(chǎng)的萬(wàn)億倍。FRB的發(fā)現(xiàn)或許將為人類(lèi)認(rèn)識(shí)強(qiáng)磁場(chǎng)下的物理規(guī)律打開(kāi)新的路徑。

2020年4月28日，加拿大CHIME射電望遠(yuǎn)鏡和美國(guó)STARE-2探測(cè)器首次探測(cè)到來(lái)自銀河系內(nèi)一顆名為SGR J1935+2154磁陀星的射電爆發(fā)FRB 200428。同時(shí)，我國(guó)的慧眼（HXMT）衛(wèi)星探測(cè)到了與FRB 200428成協(xié)的X射線爆發(fā)現(xiàn)象（簡(jiǎn)稱(chēng) FRB 200428-X）。這一觀測(cè)事實(shí)確認(rèn)了磁陀星可以產(chǎn)生FRB，證實(shí)FRB在瞬時(shí)輻射階段存在X射線波段的對(duì)應(yīng)體，為FRB的起源機(jī)制提供了新的線索。

目前領(lǐng)域內(nèi)學(xué)者普遍認(rèn)為FRB 200428-X可能來(lái)源于磁坨星的磁層活動(dòng)，觸發(fā)磁重聯(lián)過(guò)程產(chǎn)生高能粒子和輻射，但并未結(jié)合其具體觀測(cè)特征進(jìn)行詳盡研究。由于磁坨星附近的磁場(chǎng)極強(qiáng)，因此量子電動(dòng)力學(xué)（QED）效應(yīng)（正負(fù)電子對(duì)的產(chǎn)生等）會(huì)在磁重聯(lián)過(guò)程中扮演重要角色。

吳雪峰研究員領(lǐng)銜的中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)高能時(shí)域天文研究團(tuán)組，與北京大學(xué)物理學(xué)院重離子物理研究所、核物理與核技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室喬賓教授課題組合作，利用粒子動(dòng)理學(xué)模擬方法，提出FRB 200428-X來(lái)源于QED影響下的磁重聯(lián)過(guò)程。如圖所示，持續(xù)的磁坨星殼層的活動(dòng)扭曲磁場(chǎng)位型，在磁層某一高度位置處觸發(fā)磁重聯(lián)（水平方向白色紡錘形態(tài)區(qū)域）。與普通重聯(lián)不一樣，QED主導(dǎo)下的重聯(lián)產(chǎn)生的磁島數(shù)目會(huì)更多，從而影響被加速粒子（正負(fù)電子，紅色和綠色點(diǎn)）的能譜形態(tài)和最大能量。被加速粒子與磁陀星表面產(chǎn)生的軟X射線光子（橘色波浪線）發(fā)生康普頓散射，產(chǎn)生觀測(cè)到的獨(dú)特X射線能譜（黃色波浪線）。通過(guò)與觀測(cè)數(shù)據(jù)的匹配，該研究可以限定FRB 200428-X 爆發(fā)區(qū)域的磁化參數(shù)區(qū)間。

論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927323003754

編輯：王科超