ASKAP高时间分辨率偏振测量揭示快速射电暴的复杂微观结构与散射分布新特征

《Publications of the Astronomical Society of Australia》：High-time-resolution properties of 35 fast radio bursts detected by the Commensal Real-time ASKAP Fast Transients survey

本研究针对快速射电暴（FRB）发射机制和传播效应尚未明确的问题，利用澳大利亚平方公里阵列探路者（ASKAP）望远镜对35个FRB进行了微秒级相干去色散偏振测量。研究发现FRB可能均具有多组分结构，散射分布呈对数均匀分布而非预期的高散射下降趋势，且散射时间与色散测量（DM）偏离Macquart关系的程度无显著相关性。首次在亚毫秒尺度发现偏振位置角（PA）微观结构，并识别出高圆偏振（Stokes V≥20%）子群，为FRB磁层起源模型提供了关键观测约束。

　　

当宇宙中突然闪现一道持续仅数毫秒的无线电波爆发，其亮度却足以在数十亿光年外被探测到时，天文学家将这类神秘现象称为快速射电暴（FRB）。自2007年首次发现以来，FRB的起源机制一直是天体物理领域最大的谜题之一。更令人困惑的是，这些爆发在时间-频率形态、偏振特性等方面表现出极大的多样性——有些爆发呈现单一脉冲，有些则包含多个子成分；有些高度线偏振，有些则表现出显著的圆偏振特征。这种多样性究竟源于不同的爆发机制，还是由传播路径上的星际介质散射效应所导致？由于大多数FRB搜索项目受限于数据率，仅能在毫秒量级的时间分辨率下进行观测，许多精细结构被淹没在噪声中，如同透过毛玻璃观察星空。

为了揭开FRB的微观面纱，由D.R. Scott领衔的国际研究团队利用澳大利亚平方公里阵列探路者（ASKAP）望远镜的实时探测与电压捕获能力，对35个FRB开展了迄今最高精度的偏振测量研究。这项发表于《Publications of the Astronomical Society of Australia》的工作，通过相干波束成形技术将时间分辨率提升至带宽极限的3纳秒级别，相当于将观察尺度从“世纪”压缩到“秒”，首次系统揭示了FRB在微秒尺度的精细结构和偏振演化规律。

关键技术方法包括：1）采用实时非相干求和（ICS）探测模式进行336 MHz带宽的未定向搜索；2）通过CELEBI流水线进行多相滤波器组反演和相干波束成形，获得两个正交线性偏振（X和Y）的复电场数据；3）利用结构优化去色散方法确定DM_struct；4）结合QU拟合和法拉第旋转测量合成法计算旋转测量（RM）；5）采用多频带高斯轮廓拟合与指数散射模型分析散射时标τ_obs。

4.1 形态分类与偏振特性

研究团队发现，所有被归类为“单组分”的FRB实际上都表现出较大的散射时标（τ_obs> 0.1 ms），这表明所谓的单组分特征可能是由散射效应掩盖了内在的多重结构所致。进一步与CHIME望远镜数据的对比证实，可识别多组分的FRB比例与散射时标呈明显反相关关系。

在偏振特性方面，研究揭示了圆偏振分布的断裂现象：当Stokes V ≥ 20%时，存在一个明显的界限，暗示着约10%的FRB构成了一个高圆偏振子群。这一发现与DSA（Deep Synoptic Array）的观测结果相互印证，但ASKAP数据中圆偏振的绝对量级较低，可能是由于更宽带宽内频率依赖性偏振符号相互抵消所致。

4.2 散射效应分析

传统理论认为FRB散射时标应服从对数正态分布，但本研究发现了截然不同的情况：散射分布在高τ_obs端并未出现预期的下降趋势，反而更符合对数均匀分布。这一结果暗示，现有观测可能因选择效应（高度散射的FRB难以被探测）而未能捕捉到真实的散射分布全貌。

尤为重要的是，研究未发现散射时标与宿主星系贡献的DM（DM_Host,ISM）之间存在显著相关性。这意味着散射效应不能作为推断FRB宿主星系红移的可靠指标，挑战了将银河系脉冲星散射-DM关系直接外推至FRB研究的传统思路。

4.3 偏振位置角微观结构

本研究最引人注目的发现之一是在13个FRB中检测到偏振位置角（PA）的微观结构——在200微秒至200纳秒尺度上出现的系统性波动。以FRB 20240318A为例，其PA在约10微秒时间内呈现±20°的有规律偏离，远短于其名义散射时标（0.163 ms）。

这种快速PA波动与蟹状星云脉冲星主要脉冲的特定亚类相似，强烈支持FRB的磁层起源模型。考虑到FRB位于Gpc级距离，观测到纳米秒尺度的PA波动相当于在太阳系外行星上分辨出单个原子，展示了前所未有的探测精度。

4.4 其他重要发现

研究还注意到多个FRB表现出重复暴特征的时间-频率轮廓，如FRB 20190711A中发现的“微射点”结构（短于50微秒）与宽频带发射共存的现象，与FRB 20220912A的观测结果高度相似。此外，至少两个FRB（20190611B和20210407E）的不同子成分似乎具有显著差异的色散测量值，暗示爆发源附近可能存在时变等离子体环境。

综合所有发现，这项研究确立了高时间分辨率偏振测量在解析FRB物理本质中的关键地位。研究结果表明，传统的FRB分类方案（基于单/多组分、偏振分数等）可能产生人为的、武断的区分，而散射效应在掩盖FRB内在结构中扮演着核心角色。探测到的PA微观结构为磁层起源模型提供了迄今最有力的观测证据，而圆偏振子群的存在则暗示FRB种群可能包含不同的发射机制或传播路径。

这些发现不仅深化了对FRB物理过程的理解，也为未来望远镜设计（如平方公里阵列SKA）提供了观测策略指导。随着样本规模的扩大和时间分辨率的进一步提升，天文学家将能够更清晰地解读这些宇宙短暂闪光所携带的物理信息，最终解开FRB的起源之谜。