臺北市立天文科學教育館

來自宇宙中神秘的「快速電波爆（Fast Radio Bursts，簡稱FRB）」一直是天文學上的謎團，它們到底是什麼？

國立彰化師範大學胡欽評副教授領導的國際團隊，於2022年10月，以兩個NASA的X射線望遠鏡，NICER（中子星內部組成探測器）以及NuSTAR（核光譜望遠鏡陣列），在一次FRB事件發生前後做了密集的觀測，這一史無前例的觀察使天文學家更接近尋找的答案，可以更好理解快速電波爆。這項研究結果發表於國際頂尖學術期刊《自然》（Nature）（Hu et al. 2024）。

圖說：藝術家想像中的快速電波爆（FRB）到達地球的想像畫。Credit: Jingchuan Yu, Beijing Planetarium

2020年4月28日，一顆位於銀河系內的磁星（編號：SGR 1935+2154）發生了一系列X射線爆發活動，期間一次X射線爆發與FRB發同時被記錄下來。2022年10月10日，這顆磁星又出現了頻繁的X射線爆發活動，胡欽評副教授參與的國際研究團隊即迅速向NASA的NICER及NuSTAR兩個X射線望遠鏡提出了緊急觀測的要求，於觀測期間，10月14日，這顆磁星再次發生了FRB，這是有史以來首次針對磁星在FRB發生前後進行的密集X射線觀測，這樣的資料提供了關於磁星發生FRB與X射線爆發之間能量來源的寶貴資訊。

圖說：藝術家描繪的磁星場景，強大而扭曲的磁場線以綠色呈現，這些磁場能夠影響帶電物質（以藍色表示）在物體周圍的流動。credit: NASA / JPL-Caltech 

磁星有脈衝現象，其兩極的發出的電磁波束隨著磁星的高速自轉，如燈塔般週期性地指向地球，因此可以利用脈衝訊號得知磁星的自轉週期。此次研究團隊對SGR 1935+2154磁星在發生FRB事件前後的自轉速度變化進行了詳細的追蹤，偵測到在FRB前後大約9小時內該磁星經歷了兩次的「glitch」，即自轉速度短時間內急遽增加的現象，而FRB事件即發生在這兩次的glitch之間。就以時間軸而言，SGR 1935+2154先發生一次glitch，自轉突然加速，然後在九小時內減速到了不到glitch前的速度，比以往觀察到的磁星速度下降速度快了約100倍，在減速期間發生了FRB，之後又再發生一次glitch，恢復到原本的自轉速度。SGR 1935+2154估計直徑約20公里，每秒自轉約3.2次，表面自轉速度約為每小時11,000公里，減速或加速都需要大量能量。這意味著該磁星在減速時需要有能量以某種形式被釋放出來，極可能包含了FRB。glitch現象雖然在其他中子星中有過觀測，但在短時間內連續兩次發生且與FRB相關，卻是首次被記錄。胡欽評副教授表示，通常當發生glitch時，磁星需要數週甚至數月才能恢復到正常速度。所以顯然，這次的事情發生的時間尺度比我們之前想像的要短得多，這可能與FRB的產生方式有關。

圖說：SGR 1935+2154 在快速電波爆發前後的 (a)相位演化、(b) 頻率變化、(c) 頻率時變率的演化、(d) 短X射線爆發的頻率、以及 (e) X射線強度的變化。紅色虛線是快速電波爆發產生的時間，紫色的點虛線及點線則是兩次 glitch 發生的時間。 Glitch 發生時間的誤差約為0.5小時。

圖說：本次研究所發現的現象示意圖。出處：

此外，在FRB產生的前兩小時，研究團隊也記錄到該磁星發生了非常密集的短X射線爆發，並伴隨著光譜的變化。這可能暗示著 X 射線的活動可能為後來的FRB創造了良好的環境。

這是天文學家首次在FRB事件前後透過密集的X射線觀測捕捉到的磁星活動，也是迄今觀察到的磁星自轉發生變化最極端的一次，為我們理解磁星如何引發快速電波爆提供了新的見解。（編譯／段皓元）

資料來源：NASA News、國立彰化師範大學