快速射電暴的新線索：磁環境驟變揭示雙星起源

|作者：李曄1, ?　張松波1　楊元培2

(1 中國科學院紫金山天文臺）

(2 云南大學中國西南天文研究所)

本文選自《物理》2026年第2期

1 引 言

快速射電暴(fast radio bursts，FRBs)是宇宙中一類短暫而高亮度的射電爆發現象；其典型持續時間僅為數毫秒，卻能在極短時間內釋放出相當于太陽數周甚至數月輻射的總能量(圖1)[1]。自2007年首次被發現以來，快速射電暴已成為天文學中最神秘的熱點研究對象之一。迄今為止，已經發現了接近4000例快速射電暴，其中約100例探測到了重復爆發[2]。由于其極短的持續時間和極高的能量，科學界普遍相信快速射電暴與中子星等致密天體密切相關。

圖1　快速射電暴FRB 010724的時間—頻率圖，顏色越深表示射電信號越強[1]

在諸多理論模型中，強磁場中子星(磁陀星)和中子星雙星系統模型是目前討論最為廣泛的兩類情景。前者認為快速射電暴起源于年輕、強磁場中子星的磁層活動過程。主要證據來自于銀河系內磁陀星SGR J1935+2154產生的類快速射電暴現象FRB 200428[3，4]。然而，FRB 200428的能量顯著低于銀河系外快速射電暴的典型能量。并且，在部分重復快速射電暴中，所輻射的總能量已經接近于典型磁陀星的總磁能，對磁陀星模型提出了嚴峻挑戰[5]。快速射電暴存在于雙星系統的模型能夠自然地解決這些問題[6]。此外，數個快速射電暴存在周期性活動，也暗示了快速射電暴可能存在于雙星系統之中[7]。但長期以來始終缺乏直接、清晰的觀測證據支持。在這一背景下，快速射電暴周圍的環境研究可能成為區分不同起源模型的關鍵突破口。

2 法拉第旋轉：探測快速射電暴周圍磁環境的關鍵探針

在射電天文學中，偏振測量是研究傳播路徑上電子密度和磁場強度的重要方式。當電磁波穿過磁化等離子體時，其偏振角會隨波長平方發生旋轉，這一現象被稱為法拉第旋轉。旋轉的程度被稱為旋轉量，與傳播路徑上的電子密度乘以磁場視線分量的積分成正比，即為法拉第旋轉量(rotation measure，RM)。

法拉第旋轉量對磁化等離子體環境極為敏感，因此被廣泛用于研究脈沖星、活動星系核以及快速射電暴周圍磁環境。與色散量(disperson measure, DM)主要反映電子柱密度不同，法拉第旋轉量還編碼了磁場強度與方向信息，使其成為探測致密天體附近磁結構演化的獨特“磁環境探針”。

對于快速射電暴而言，法拉第旋轉量的時間演化尤為重要。若快速射電暴起源于穩定環境，其法拉第旋轉量應僅表現出微小擾動；若存在大尺度長期變化(例如膨脹的超新星遺跡)，則表現為緩慢變化；而若信號傳播路徑中存在局域、短時間的磁化等離子體活動，則法拉第旋轉量可能出現顯著甚至劇烈的瞬態變化。因此，對法拉第旋轉量的長期、高精度監測，為研究快速射電暴周圍環境提供了難得的觀測窗口。

3 FAST對快速射電暴FRB 20220529的長期監測

中國“天眼”500米口徑(有效口徑300米)球面射電望遠鏡(FAST)憑借其世界領先的靈敏度和穩定的觀測性能，在快速射電暴研究中發揮著不可替代的作用。依托中國“天眼”的觀測優勢，研究團隊對重復快速射電暴FRB 20220529進行了長達2.2年的系統監測[8]。

FRB 20220529是一例亮度較低的重復暴源，其多數爆發事件信噪比較低，難以被其他射電望遠鏡穩定探測。這一特性使其成為體現FAST靈敏度及偏振測量能力的理想目標，同時也意味著對其偏振參數的獲取具有較高技術挑戰。

圖2　快速射電暴FRB 20220529的觀測時間(a)、探測到的FRB個數(b)、FRB爆發率(c)、色散量(d)、線偏振度(e)和法拉第旋轉量(f)隨著時間的變化。可以看到，2023年底法拉第旋轉量出現驟變，隨后在兩周內回落至正常水平，清晰記錄了磁化等離子體云穿過觀測視線的全過程，為雙星起源假說提供了直接證據

在觀測初期約一年半的時間內，FRB 20220529的法拉第旋轉量表現出相對平穩的統計特性，其取值主要分布在?300至+300 rad·m-2范圍內，中位值約為17 rad·m-2，標準差約為100 rad·m-2。這一階段的法拉第旋轉量行為表明，快速射電暴信號沿傳播路徑所經歷的磁化等離子體環境整體上較為穩定(圖2)。

4 法拉第旋轉量的劇烈跳變與快速回落

2023年12月，研究團隊捕捉到一次顯著偏離常態的異常事件。FRB 20220529的法拉第旋轉量在短時間內突然躍升至1977±84 rad·m-2，其幅度高達之前標準差的20倍，遠超此前所有觀測記錄(圖2)。

更為引人注目的是，該異常并非長期持續狀態。在峰值后，法拉第旋轉量隨時間呈現出幾乎單調下降趨勢(統計誤差范圍內)，并在約兩周時間內逐步回落至原有的正常波動范圍。這一“跳變—回落”式的演化過程，在快速射電暴觀測中尚屬首次。

這一觀測結果表明，FRB 20220529周圍的磁化等離子體環境在短時間內經歷了一次劇烈而可逆的擾動事件。法拉第旋轉量的快速演化排除了緩慢結構變化的可能性，指向了一種瞬態、局域的物理過程。

5 指向雙星系統的關鍵證據

從法拉第旋轉量的定義可見：一團磁化的等離子體云在數周時間尺度內穿過了地球與快速射電暴源之間的觀測視線。結合法拉第旋轉量的變化幅度、持續時間以及演化形態，一種物理上自然且自洽的解釋是：FRB 20220529的暴源存在一顆伴星(圖3)，伴星相關的磁化等離子體云經過了地球的視線方向。這一磁化等離子體云可能是伴星的星冕物質拋射(圖4)，類似的過程可以參考太陽的日冕物質拋射；也有可能是伴星星風，在雙星軌道運動過程中，星風進入觀測視線，從而導致法拉第旋轉量的顯著躍變。無論具體機制如何，其共同前提都是存在一個伴星。

圖3　雙星系統想象圖

相比之下，若快速射電暴起源于一顆完全孤立的中子星，無論是強磁場中子星耀發還是超新星遺跡等模型，都難以產生如此幅度巨大、時間尺度短暫且可逆的磁環境擾動。因此，此次觀測結果為快速射電暴的雙星起源模型提供了關鍵的觀測支持。

圖4　雙星系統星冕物質拋射想象圖

6 展望與意義

FRB 20220529的法拉第旋轉量驟變事件，充分展示了中國“天眼”在研究暗弱快速射電暴及其偏振特性方面的獨特能力。隨著觀測時間的進一步積累，以及對更多重復快速射電暴的系統監測，類似的磁環境瞬態事件有望在未來被陸續發現。

此類研究不僅有助于區分快速射電暴的不同起源機制，也為探索致密天體周圍極端磁化等離子體的物理過程提供了新的觀測窗口。這項研究成果已發表于國際頂級學術期刊

Science

參考文獻

[1] Lorimer D R，Bailes M，McLaughlin M A et al. Science，2007，318(5851)：777

[2] FRB Collaboration，Abbott T，Andersen B C et al. 2026，arXiv：2601.09399

[3] CHIME/FRB Collaboration，Andersen B C，Bandura K M et al. Nature，2020，587(7832)：54

[4] Li C K，Lin L，Xiong S L et al. Nat. Astron.，2021，5：378

[5] Zhang J S，Wang T C，Wang P et al. 2025，arXiv：2507.14707

[6] Wang F Y，Zhang G Q，Dai Z G et al. Nat. Commun.，2022，13：4382

[7] CHIME/FRB Collaboration，Amiri M，Andersen B C et al. Nature，2020，582(7812)：351

[8] Li Y，Zhang S B，Yang Y P et al. Science，2026，391：280

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