近期，中国科学院上海天文台余文飞研究员领导的观测高能天体物理课题组与国际合作团队在“中国天眼”（500米口径球面射电望远镜，Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，简称FAST）发现的快速射电暴(Fast Radio Burst, 简称FRB)——FRB 20190520B——的精确定位和射电对应体研究中取得突破性进展。此次研究发现该FRB具有明亮且致密的持续射电源（Persistent Radio Source, 简称PRS），是至今为止发现的超过500个FRB中的第二例，其近源（near-source）电磁环境比之前发现具有PRS的唯一一例FRB更加极端，但没有发现紫外和X射线短时爆发对应体。这一发现揭示了重复快速射电暴活跃爆发特征、局域极端电磁环境和PRS高光度间可能的联系。这些研究结果为天文学家解决快速射电暴起源和演化等前沿科学问题提供了重要观测线索。相关成果于6月9日发表在国际著名学术期刊《自然》上。论文第一作者是国家天文台牛晨辉博士，国家天文台李菂研究员、上海天文台余文飞研究员和加州理工大学C. Law 博士为共同通讯作者，作者还包括上海天文台博士生张先、副研究员闫震。
FRB于2007年被天文学家Lorimer首次发现[1]。它是一种神秘的射电窄波段爆发现象，其单个爆发持续时间为毫秒时标，但辐射能量可达太阳一年的辐射总量。根据这些观测性质，天文学家普遍认为快速射电暴（FRB）与致密天体，特别是具有强磁场的致密天体爆发活动等有关。观测发现，其中很小部分FRB重复爆发。在重复爆发的活跃期，天文学家可以有准备地实施定位和监测，有助于精确定位和搜寻多波段对应体和宿主星系，从而可能解决快速射电暴的起源与演化等科学问题。
天文学家Spitler等于2016年发现首例重复快速射电暴FRB 20121102A[2]，同年Chatterjee等给出了FRB 20121102A的亚角秒级精确定位并确定其宿主为一个矮星系，还首次发现FRB 20121102A具有致密的PRS[3]，在射电波段具有显著超出银河系内射电天体的亮度，FRB 20121102A中的PRS同FRB间应必然存在联系。因此，致密PRS为直接探测并研究该快速射电暴的近源（near-source）环境提供了绝佳路径。但由于此前仅有FRB 20121102A一例，存在偶然因素，因此发现与FRB 20121102A类似的第二例FRB-PRS联系至关重要。
中国科学院国家天文台李菂研究员领导的研究课题组2020年在系统处理FAST“多科学目标同时巡天（CRAFTS）”项目观测数据时，发现在2019年5月20日的观测数据中存在重复的高色散脉冲，这符合FRB的观测特征。这个新发现的快速射电暴后续被命名为FRB 20190520B。基于该原始发现以及后续多次FAST观测得到的角分级定位，上海天文台余文飞研究员领导的观测课题组联合国家天文台李菂研究员团队，于2020年5月和7月先后通过美欧雨燕天文卫星（Swift）与FAST空地同时观测以及美国甚大阵射电望远镜（Very Large Array，简称VLA）机遇性观测，搜寻持续和短时标多波段对应体，并尝试对FRB 20190520B实施百倍以上的精确定位。合作团队通过2020年7月首次VLA观测即实现FRB 20190520B在亚角秒水平的精确定位，还成功探测到与FRB成协的、致密的PRS（图1），滞后四年发现了FRB 20121102A的“孪生兄弟”。上海天文台团队负责了VLA系列观测中持续射电点源的测量和分析。
图1.从（a）到（c）十字瞄准线表示了FRB 20190520B由VLA定位给出的快速射电暴的方位。（a）图为CFHT望远镜获得的光学图像，右下方插入图显示了在FRB位置（黄色圆圈）处对应的宿主星系；（b）图为Subaru望远镜获得的红外图像；（c）图为VLA望远镜获得的射电图像，可以看到与FRB位置一致的致密持续射电源（PRS）。摘自Niu et al.2022, Nature（请详见文后的论文链接）。
FRB 20190520B中致密的PRS是继FRB 20121102A之后在至今总数超过500例FRB中发现的第二例。合作团队取得亚角秒水平精确定位之后，还通过多台近红外和光学望远镜（包括美国Palomar望远镜和Keck望远镜，加拿大-法国-夏威夷望远镜CFHT，和日本Subaru望远镜）的观测确定了FRB 20190520B的宿主星系（J160204.31？111718.5）和红移值（约为0.241），从而发现了FRB 20190520B由宿主星系局域环境贡献的色散值（Dispersion Measure，简称DM）为目前已知所有快速射电暴中的最高值，清楚表明FRB 20190520B所处的电磁环境比FRB 20121102A所处的电磁环境更加极端（图2）。FRB 20190520B更加极端的观测性质为天文学家探索FRB起源以及辐射机制等前沿科学问题提供了重要线索。此项研究成果得到该领域广泛关注，已经产出多篇精细分析和理论模型论文。
图2. 精确定位的快速射电暴色散-红移关系。清晰可见FRB 20190520B拥有极端的宿主星系电子密度贡献（摘自Niu et al. 2022, Nature，请详见文后的论文链接）。
“FRB 20190520B是FAST至今发现的大约6例快速射电暴中第一个被精确定位的快速射电暴，也是首个被发现具有PRS且由我国FAST发现的快速射电暴。”余文飞研究员表示，“和国家天文台团队合作，结合我国FAST的高灵敏度和美国甚大阵列的定位优势，我们实现了针对FRB20190520B由FAST发现到美国甚大阵射电望远镜的精确定位（图3）。” FAST高灵敏度的多波束巡天、国际开放的观测资源和前沿的国际和国内合作为此项针对FRB 20190520B的观测研究取得突破进展提供了有利条件。当前，该合作团队正进一步尝试对FAST发现的其他FRB实施精确定位。“FRB 20190520B很可能是FRB起源的突破口，我们还在持续开展对FRB 20190520B和其PRS的后续射电阵观测研究。”参与此次研究并领导甚大阵持续射电源观测数据分析的上海天文台博士生张先说道。据了解，包括天眼望远镜在内的国内外先进望远镜将持续对这个重复FRB进行监测研究。
图3.夜空下的“中国天眼”FAST和美国甚大天文阵列（VLA）望远镜。此次针对FRB 20190520B的观测研究结合了我国FAST和美国甚大阵对快速射电暴各自优势，产生了国际领先的国际成果。（图片来自国家天文台）
此次研究团队包括来自中国科学院国家天文台、中国科学院上海天文台、美国西弗吉尼亚大学、加州理工学院、康奈尔大学、日本东京大学，以及国内外多家研究单位的科研人员。上海天文台在此项研究中的工作由国家自然科学基金重点项目和国家自然科学基金空间科学卫星科学研究联合基金重点项目支持。
注释：
[1] Lorimer D R, Bailes M, McLaughlin M A, et al. Science, 2007, 318: 777–780
[2] Spitler, L. G., Scholz, P., Hessels, J. W. T. et al. 2016, Nature, 531, 202
[3] Chatterjee, S., Law, C. J., Wharton, R. S., et al. 2017, Nature, 541, 58
科学联系人：
余文飞，中国科学院上海天文台，wenfei@shao.ac.cn
张先，中国科学院上海天文台，zhangxian@shao.ac.cn
