中國科學院上海天文臺研究人員與國際合作者通過SKA先導望遠鏡首次在銀河系發現超強磁場新天體

  近日,中國科學院上海天文臺張翔助理研究員與她的澳洲合作者、來自科廷大學國際射電天文研究中心(ICRAR-Curtin)的Hurley-Walker博士等通過分析SKA先導望遠鏡的觀測數據,發現了一個具有異常緩慢周期性輻射的射電暫現源。研究團隊認為該射電暫現源可能是一個超長周期的磁星或擁有超強磁場的白矮星。相關研究成果在線發表于127日的《自然》雜志上。 

  高頻射電天空因超新星爆發、伽馬射線暴、黑洞吸積盤耀發等暫現天體而熠熠生輝,但低頻射電天空卻表現得異常安靜。然而,這種平靜正在被打破。以平方公里陣列(Square Kilometre Array, SKA)及其先導望遠鏡為代表的新一代射電望遠鏡,正以比以往更深入、更廣泛的觀測能力,迎來射電暫現源研究的新時代。 

  上海天文臺的張翔助理研究員與Hurley-Walker博士等通過分析位于澳洲的SKA低頻先導望遠鏡默奇森寬場陣列(Murchison Widefield Array,MWA)的巡天觀測數據,發現了一個具有異常緩慢周期性輻射的致密暫現源。這顆暫現源于2018年初出現,其爆發周期約為18分鐘左右,比已知的最長的脈沖星爆發周期長9倍,每次爆發持續30-60秒左右,也包括短時標(<0.5秒)的爆發,而在更多情況下,觀察到的是比較平滑的以小時為單位演變的輪廓,在爆發期間,它是150 MHz波段南天最明亮的30個射電源之一。 

  科研團隊在隨后的光學、紅外、高能觀測中,均未發現它的對應體。對其射電脈沖的色散測量表明,這個暫現源位于銀河系內,與太陽系的距離約4200光年。偏振測量顯示出,此暫現源的線偏振度約為90%,超過了150 MHz波段中同一觀測模式下的所有已知脈沖星(由于觀測方法導致的平滑效應,此模式下觀測到的脈沖星線偏振度不超過70%),表明該暫現源存在超強磁場。該暫現源的長周期和低頻波段的高偏振度均無法用已知脈沖星的理論模型和觀測特征來解釋,研究人員由此排除了它是一顆普通脈沖星的可能性。這顆致密暫現源一經發現,即引起國際科學界對其性質的廣泛熱議。該研究團隊認為,它更有可能是一顆磁星(Magnetar)或者是一個擁有超強磁場的白矮星。 

  這一發現為搜尋低頻暫現源打開了一扇新的窗口:由于銀道面區域有復雜的射電輻射結構和較強的星際閃爍,在以往的大多數低頻射電巡天項目中,對暫現源的搜尋往往局限于遠離銀道面的區域,沒有對周期為幾分鐘到幾小時的暫現源進行過系統搜尋。這一發現是在銀道面區域長周期暫現源的首次探測,如果能繼續探測到更多具有類似特征的暫現源并揭示其物理性質,則意味著在銀河系內存在一類具有超強磁場的長周期星體,有助于全面了解恒星的演化和死亡。該團隊正在開展系統性的搜尋,以發現更多的這種類型的星體,并建立一個大樣本進行統計研究,從而填補磁星研究的空白。 

  這一暫現源的發現得益于高靈敏度的SKA低頻先導射電望遠鏡,以及根據SKA數據特點定制的SKA計算集群。論文的第二作者、上海天文臺張翔承擔了這項工作中的偏振校準和偏振數據分析,并制作了論文中的三幅關鍵圖像。由于該項目的原始數據量巨大,數據處理中間過程產生的數據量更大(超過1000萬個圖像文件),數據處理過程復雜,數據處理軟件對計算集群的訪存輸入輸出(IO)帶寬、數據IO帶寬、高并發任務和高并行化處理都有極高要求?;谏鲜?span>SKA偏振數據處理的特點和極高要求,上海天文臺作為MWA的正式成員,利用自主研發的中國SKA區域中心原型機,在國家科技部、中國科學院、SKA中國辦公室和上海市科委的支持下,聯合國際SKA科學團隊針對SKA重點科學目標開展了一系列科學研究。在本項研究工作中,中國SKA區域中心原型機承擔了該項目部分MWA數據的存儲,參與了寬波段偏振數據的處理,完成了部分偏振圖像的分析,并與澳大利亞SKA區域中心的計算設備共同完成了其他數據處理任務。 

MWA發現長周期暫現源:上方為暫現源圖像,下方為MWA天線示意圖。

圖像來源:澳大利亞國際射電天文研究中心(ICRAR)

 

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【注】: 

  MWASKA低頻望遠鏡的先導設備,位于澳大利亞西部的默奇森射電天文臺(MRO)。上海天文臺作為正式成員單位參加MWAII期運行,優先獲取相關數據及科學資源。中國參加MWA國際合作有助于培養我國科學數據處理和科學分析研究的人才隊伍,為將來SKA1科學目標研究、SKA1大數據以及中國SKA區域中心做準備。  

  作為SKA低頻望遠鏡的先導項目,MWA將致力于宇宙再電離、河內與河外星系巡天、時域天文物理、太陽與電離層等方向的科學研究。通過SKA先導望遠鏡的相關國際合作,上海天文臺為中國學者創造更廣闊的科學平臺,讓中國學者與全球科學家在各個科學技術領域展開豐富交流,為更廣泛、深入國際合作扎實根基、創造機遇,也助力中國學者快速接軌國際一流團隊,借先進科學裝置之力,集中外智慧,突破技術挑戰,共同推進前沿科學研究,加速中國SKA科學團隊的培養和中國SKA區域中心的建設。 

  中國SKA區域中心原型機自201911月建成至今已連續兩年獲得中國十大天文科技進展,并被SKAO(平方公里陣列天文臺 Square Kilometre Array Observatory)國際組織認可為國際首臺SKA區域中心原型機,未來將持續為SKA先導望遠鏡的大型巡天項目提供計算資源和技術支持,助力全球SKA科學家產生更多原創成果。中國SKA區域中心原型機的建設得到了國家重點研發計劃大科學裝置前沿研究專項(2018YFA0404603)和中國科學院國際合作局國際大科學計劃培育專項 (114231KYSB20170003)的支持。 

    

論文鏈接: 

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04272-x 

科學聯系人: 

張翔,中國科學院上海天文臺,xiang.zhang@shao.ac.cn  


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