X射線暴起源：量子電動力學磁重聯(lián)

《科學通報》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：量子電動力學磁重聯(lián)。持續(xù)的磁坨星殼層的活動扭曲磁場位型，在磁層某一高度觸發(fā)量子電動力學主導(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（正負電子，紅色和綠色點）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)生觀測到的獨特X射線能譜（黃色波浪線）。（請點擊文末“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鏡意外發(fā)現(xiàn)了來自脈沖星的脈沖信號，開啟了天文學家認識宇宙中最致密天體——中子星的征程。

2007年，鄧肯·洛里默從帕克斯望遠鏡的歷史檔案數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)一類持續(xù)時間更短、輻射強度更高的新型射電脈沖，稱為快速射電暴（Fast Radio Burst，簡稱FRB ）。憑借這一開創(chuàng)性的工作，鄧肯·洛里默和其他兩位學者共同獲得了2023年邵逸夫天文學獎。

經(jīng)過十幾年的研究，F(xiàn)RB的產(chǎn)生機制和物理起源仍是未解之謎。天文學家猜測磁陀星是產(chǎn)生FRB的最佳候選體。磁陀星一般認為是磁場極強的中子星（也可能是奇異夸克星），其磁場可以達到十億特斯拉，是地球表面磁場的萬億倍。FRB的發(fā)現(xiàn)或許將為人類認識強磁場下的物理規(guī)律打開新的路徑。

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

目前領(lǐng)域內(nèi)學者普遍認為FRB 200428-X可能來源于磁坨星的磁層活動，觸發(fā)磁重聯(lián)過程產(chǎn)生高能粒子和輻射，但并未結(jié)合其具體觀測特征進行詳盡研究。由于磁坨星附近的磁場極強，因此量子電動力學（QED）效應(yīng)（正負電子對的產(chǎn)生等）會在磁重聯(lián)過程中扮演重要角色。

吳雪峰研究員領(lǐng)銜的中國科學院紫金山天文臺高能時域天文研究團組，與北京大學物理學院重離子物理研究所、核物理與核技術(shù)國家重點實驗室喬賓教授課題組合作，利用粒子動理學模擬方法，提出FRB 200428-X來源于QED影響下的磁重聯(lián)過程。如圖所示，持續(xù)的磁坨星殼層的活動扭曲磁場位型，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)目會更多，從而影響被加速粒子（正負電子，紅色和綠色點）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)生觀測到的獨特X射線能譜（黃色波浪線）。通過與觀測數(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