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重复快速射电暴或起源于奇异夸克星

作者(zhe):李兵(高能物理研究所)耿(geng)金军(紫金山(shan)天文台)黄永(yong)锋(火狐体育登陆(lu))

快速射电(dian)暴fast radio burst简称FRB是(shi)天文(wen)学家新发现的一来(lai)自宇(yu)宙(zhou)空间、持(chi)续时间在毫(hao)秒(miao)量级的强烈射电爆(bao)发(fa)现象这是当前国(guo)际(ji)天文(wen)学(xue)中非常活跃的一个领域[1]相关(guan)成(cheng)果入选2020年度全(quan)球十大科学进展。目(mu)前快速射电(dian)暴的起源和爆发机制还不明确(que)天文学家推测它们可能来自于(yu)具有磁场(chang)的(de)中子星即(ji)磁(ci)陀星)、带有电荷的黑洞或其它致(zhi)密天(tian)体。

至(zhi)今,已(yi)经观测(ce)到的(de)快速射(she)电暴源(yuan)接近800可初(chu)步为非重(zhong)复暴和重(zhong)复暴两(liang)类。加拿大氢强度测绘实验(yan)射电望(wang)远镜(jing)(CHIME合作组2020Nature杂志上发表(biao)FRB 180916就(jiu)是一(yi)个典型的(de)重复暴。该暴不仅有较高频(pin)次的爆发,而(er)且具有准周期爆发的(de)特征[2]它(ta)的活动周(zhou)期16.35天,其中爆发活跃期约5天,宁静期约11天(tian),如下(xia)面的图1所示

周(zhou)期性重(zhong)复暴(bao)的发现给快速射电暴的研究带(dai)来了新的(de)挑战(zhan)和(he)机遇有学者认为(wei)快(kuai)速射电暴的(de)周(zhou)期性(xing)活动(dong)来自于双星(xing)(xing)的(de)轨道运动(dong),但(dan)这(zhei)通常要求(qiu)双星(xing)(xing)系(xi)统具有极高的(de)轨(gui)道偏(pian)心(xin)率(lv)(例如大(da)于(yu)0.95。也有学者(zhe)将(jiang)其解(jie)释为致密(mi)天体的(de)进动(dong),但在定量(liang)说明周期(qi)和活(huo)跃(yue)期(qi)窗口长度(du)等方面还有较大(da)的不确定性。

1  CHIMEFRB 180916长期监(jian)测情(qing)况(kuang)。图(tu)中下三(san)角形及(ji)上方标注数(shu)字分别表示探测到爆发事件时间每个活动记(ji)录到的爆发次数(shu)灰色阴影区域表示(shi)估算5.2天的源活动窗口图片来(lai)源(yuan)于参考文献(xian)[2]


最近,由(you)耿金军、李兵(bing)、黄永锋组成的团队提出(chu)了一个全新的周期性重复快速射(she)电暴模(mo)型,认为它(ta)们产(chan)生奇异(yi)夸克星(简称奇异星(xing))双星系(xi)统的吸积过程。模型指出,密(mi)近奇异星双星系统中,伴星的物质会被(bei)剥(bo)离并流向奇异星,形成一个吸积(如图2所示由(you)于(yu)流体的(de)热-粘滞不稳定性,吸积盘上的物质流(liu)向奇(qi)异星的过程中受到调制,产(chan)生(sheng)周期(qi)性。最终落到(dao)奇异星上的(de)物质(zhi)会堆积在极(ji)冠区域(yu),积(ji)累到一定程度(du)后(hou)极冠(guan)壳层局部坍塌,从而导(dao)致了(le)快速射电暴的(de)发生(sheng)。上述过程持续(xu)进行(xing)下去就能自然地产生周期性重复的快速射电暴(bao)这项工作(zuo)于近(jin)期发表在The Innovation期刊 [3]

2 奇异夸克星双星系(xi)统(tong)吸积活(huo)动示意(yi)图。伴星物质受到奇异星(xing)的引力(li)吸(xi)引首先在奇异星(xing)周围形成(cheng)吸积盘盘(pan)上物质最(zui)终沿奇(qi)异(yi)星磁(ci)层(ceng)的(de)磁(ci)力线(xian)落向两(liang)极区域(yu)。图(tu)片来源于参考文献[3]


不同(tong)于前人提出的双星(xing)轨道(dao)运动或者喷流(liu)进动(dong),模型(xing)快速射电(dian)暴的周期性活动(dong)源(yuan)于吸积盘的状态(tai)转变(如图(tu)3所示)。上物质落向(xiang)奇异(yi)星(xing)的速率(lv)大时,盘(pan)温度也随较高,促(cu)使物质(zhi)下(xia)落速率进一(yi)步陡升,从而(er)快速消耗盘上物质,导致奇异星两磁极(ji)处物质堆积(ji)引起(qi)壳层塌缩可(ke)产生快速射电(dian)暴事件,此为射电(dian)暴活跃期。吸积盘上物(wu)质被消耗到一定程度,会进入(ru)下(xia)落率较低(di)的状态,温度迅速下降,爆发(fa)活动近乎停滞从而进(jin)入(ru)宁(ning)静期。吸积(ji)盘在(zai)宁静(jing)期不断累积(ji)物质,为(wei)下一个活(huo)跃期作准备。


3 快速(su)射电暴周期(qi)性活动原理示意图。在活(huo)跃期(左半图),吸积(ji)率较高,盘(pan)上物质沿(yan)磁力线落到奇异星(xing)两极区域,导致两极壳层局部坍塌产(chan)生(sheng)快速射电暴(bao)在(zai)宁静期(右半图),吸积率(lv)较低,物质基本无法抵达(da)奇异星表面,不能产生快速射(she)电暴图片来(lai)源于参(can)考(kao)文献[3]


研究表(biao)明,快速射电暴的(de)周期性活动(dong)来(lai)源于(yu)吸(xi)积(ji)不稳定性,取决(jue)于(yu)粘(zhan)滞(zhi)吸积调制。研究团(tuan)队的详(xiang)细计算(suan)表明,当(dang)吸积盘粘滞参数(shu)为0.004,吸积率为3×1016g/s时(shi)这个模型可(ke)以自然解(jie)释FRB 180916的活跃(yue)期和(he)宁静期长(zhang)度4所示

图(tu)4重复快(kuai)速(su)射电暴的周期和活(huo)跃(yue)期数(shu)据可(ke)限(xian)制吸积盘的粘滞参(can)数吸(xi)积(ji)率。当粘滞参数(shu)为0.004、吸积率为3x1016g/s 时,模型(xing)FRB 180916(黄色星(xing)号)给(ji)出最佳(jia)拟合。图片来源于参考(kao)文(wen)献[3]


奇异星(xing)是一种主要由上夸克、下夸克和奇(qi)异夸克直(zhi)接构(gou)成的致密天体。传统上人们普遍(bian)认为脉冲(chong)星是(shi)中子(zi)星,其(qi)内部主要是(shi)以(yi)中子(zi)为主的(de)重子(zi)物(wu)质(zhi)。实际上(shang),由(you)于(yu)人(ren)们对致密物(wu)质(zhi)的(de)相互作用的(de)认(ren)识还非(fei)常(chang)有限,所谓的中子星的内部结构仍是(shi)存在极大争(zheng)议的。例(li)如早在(zai)1984年,著名物(wu)理学(xue)家Witten E. 就指出(chu),"在(zai)高密度条件(jian)下,由几乎(hu)等(deng)量(liang)的上夸(kua)(kua)克(ke)、下夸(kua)(kua)克(ke)和奇异夸(kua)(kua)克(ke)直接构(gou)成的奇异夸克物(wu)质可能(neng)具有更低的能(neng)量。可(ke)能这种物(wu)质才是重子物质的真正基态(tai),而(er)非中子物质"[4]。如果这个奇异夸克物质假(jia)说(shuo)是正确的话,那(nei)么目前人们所称(cheng)的"中(zhong)子(zi)星"实际(ji)上都是奇异(yi)星(xing)[5, 6]

但是,如何从观测上区(qu)分奇异星和传统意义上(shang)的中子星,仍是一项艰巨的挑(tiao)战[7]上(shang)世纪90年代以来,火狐(hu)体育登陆黄永锋团队在奇异星的观测特(te)征方面(mian)做了(le)大量探索,尤其是(shi)在奇异星(xing)壳层厚度、奇异夸克行星(xing)的观测特征、奇异星-奇异夸克行(xing)星并(bing)合时(shi)的引力波辐射特性、奇(qi)异星与(yu)爆发现象的关联等方面取(qu)得了一系(xi)列(lie)进展(zhan)[8-13]耿金军、李兵、黄永锋等人(ren)的(de)此项最新工(gong)作表明,快速射电暴现象也(ye)可能和奇异星有着密切的关(guan)联[3]该(gai)研究有助于(yu)从(cong)不同角度探索奇异星的存在性,从(cong)而帮助检验奇异夸克(ke)物质假说。

该论文已于(yu)2021年8月(yue)12在线发表(biao)于The Innovation期刊(kan)网站,纸质版本(ben)也已于2021年11月28日在The Innovation期刊正式出(chu)版[3]The Innovation由(you)中国(guo)科(ke)学院(yuan)青年(nian)创新促进(jin)会(hui)会员与Cell Press出版(ban)社于(yu)2020年(nian)合作创办(ban)主要发表(biao)各科学领域的高质量的前沿研究成果,内容涵盖(gai)基础研(yan)究和(he)应(ying)用研(yan)究。

耿金军、李兵(bing)、黄永锋等(deng)人(ren)的该(gai)项研(yan)究工作得到了中国(guo)国(guo)家SKA计划(hua)、国(guo)家自然科学基(ji)金、中国(guo)科学院战略性先导科技专项(B类)和(he)中国载人(ren)航天工程项目的(de)资(zi)助(zhu)。


参(can)考文(wen)献

1.   Lin L., Zhang C.F., Wang, P., et al.,2020, Nature, 587, 63: No pulsed radio emission during a bursting phase of a Galactic magnetar

2.   CHIME/FRB Collaboration, Amiri M., Andersen B.C., et al.,2020,Nature, 582, 351: Periodic activity from a fast radio burst source

3.   Geng Jin-Jun, Li Bing, Huang Yong-Feng, 2021, The Innovation, 2,100152: Repeating fast radio bursts from collapses of the crust of a strange star(http://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100152)

4.   Witten E., 1984, Phys. Rev. D, 30, 272: Cosmic separation of phases

5.   Alcock C., Farhi E., Olinto A., 1986, ApJ, 310, 261: Strange stars

6.   Wang Q.D., Lu T., 1984, Phys. Lett. B, 148, 211: The damping effects of the vibrations in the core of a neutron star

7.   Wu X. H., Du S., Xu R. X., 2020, MNRAS, 499, 4526: What if the neutron star maximum mass is beyond ∼2.3 M?  

8.   Huang Yong-Feng, Lu Tan, 1997,A&A, 325, 189: Strange stars: how dense can their crust be?

9.   Geng  J. J., Huang  Y. F., Lu T., 2015, ApJ, 804, 21: Coalescence of strange-quark planets with strange stars: a new kind of source for gravitational wave bursts

10. Huang  Y.F., Yu Y.B., 2017, ApJ, 848, 115: Searching for strange quark matter objects in exoplanets

11. Zhang Y., Geng J.J., Huang Y.F., 2018, ApJ,858, 88: Fast radio bursts from the collapse of strange star crusts

12. Kuerban  A.,Geng  J.-J., Huang Y.-F., Zong H.-S., Gong H., 2020, ApJ, 890, 41: Close-in exoplanets as candidates of strange quark matter objects

13. Zhao T., Zheng W., Wang F., Li C.-M.,Yan Y., Huang Y.-F., Zong H.-S.,2019, Phys. Rev. D,100, 043018: Does the current astronomical observation exclude the existence of non-strange quarkstars