國立中興大學物理學系暨奈米科學研究所

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2025-03-25

Latest Research: 中興物理山崎翔太郎博士領導研究團隊 發表「有關快速電波爆的新事實發現 ── 幾乎全部都是「重複」的爆發！」

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快速電波爆是一種在數毫秒內，於無線電波段劇烈閃耀的爆發性天體現象，其起源至今仍籠罩在謎團之中。快速電波爆可分為兩類：反覆發生的「重複型」和僅爆發一次的「單次型」。這兩種類型可能源自不同的機制：重複型爆發可能來自中子星閃焰等可重複觸發的現象，單次爆發則可能源雙星合併等一次性事件。正確區分這兩種類型，對於解開快速電波爆之謎至關重要。然而，持續觀測所有的快速電波爆在實務上並不可行；目前確認為重複型爆發的僅占快速電波爆整體的一小部分。即使實際上是重複型爆發，也可能因觀測限制而被誤判為單次型。這使得目前已知的重複型爆發比例可能被嚴重低估。因此，釐清重複型爆發的真實占比成為一項重大挑戰。為了解決這個問題，我們著眼於單次型爆發發現率隨觀測時間的變化。令人振奮的是，來自國立中興大學物理系 山崎翔太郎博士及橋本哲也副教授與國立清華大學天文所 後藤友嗣教授團隊共同研究，領先全球發現，單次型爆發的發現率會隨著時間推移而顯著降低。這意味著在追加觀測後，許多單次型爆發將被重新歸類為重複型爆發，並強烈暗示著重複型爆發的實際比例遠高於預期。與實際觀測結果對比，我們建立的理論模型顯示在95%的信賴水準下，幾乎所有的快速電波爆都屬於重複型爆發。這項研究推翻了學界普遍認為重複型爆發僅占少數的觀念，以量化數據證明重複型爆發的比例遠超預期，為快速電波爆領域帶來了重大突破。
 
Research highlights

當我們以無線電波望遠鏡（註1）觀測夜空時，會偵測到一種極其短暫、持續時間僅數毫秒的神秘閃光現象，稱之為「快速電波爆」（圖1）。雖然這種現象早在18年前就被發現，但近十年來觀測技術的飛躍性進展，讓我們了解到現在每天都有1000次以上的爆發在宇宙各處發生。這些爆發並非來自我們銀河系內已知的星體（如脈衝星，註2），而是源自銀河系之外，距離我們約50至100億光年的遙遠宇宙（註3），而其確切起源仍是未解之謎。

 
圖片 1
快速電波爆可分為「重複型爆發」和「單次爆發」兩類。一般認為，重複型爆發源自於擁有強大磁場的中子星表面發生的閃焰等可重複觸發的現象（圖3）；而單次爆發則可能源自於雙星系統（兩顆互相繞行的恆星）在彼此接近並最終合併時產生的一次性爆發（圖3）。在所有觀測到的快速電波爆中，被確認為重複型爆發的比例僅占數％。然而，這個比例受到了觀測持續性的限制，所以重複型爆發的真實占比仍不明朗；一個實際上屬於重複型爆發的快速電波爆源，很可能被誤判為單次爆發。這是因為無線電波望遠鏡每天只會有很短的時間朝同一方向觀測，因此如果在非觀測時段發生了重複型爆發，我們便無法偵測到。為了克服這個難題，我們採用了獨特的統計方法，分析單次爆發發現率隨時間的變化，成功地對快速電波爆的起源提出了前所未有的有力約束。

此次，由國立中興大學的山崎翔太郎研究員領導的研究團隊，利用加拿大氫強度測繪實驗（CHIME）無線電波望遠鏡公開的觀測數據，分析了被歸類為單次爆發的快速電波爆源的檢測數量如何隨著觀測時間變化。研究結果首次明確顯示，單次爆發的發現率會隨著時間推移而大幅下降（圖2左）。這表示許多先前被認定為單次爆發的事件，在經過後續觀測後將會被重新歸類為重複型爆發，有力地證明了重複型爆發的實際比例遠比想像中高。重複型快速電波爆在首次被檢測到時，很容易被誤判為單次爆發，導致難以與真正的單次爆發區分。然而，如果被誤判為單次爆發的重複型爆發數量越多，觀測到的單次爆發發現率隨時間下降的幅度就會越大（圖2右）。為了驗證這項發現，我們建立了快速電波爆的理論模型並進行分析，結果顯示，在95%的信賴水準下（隨機得到此結果的機率低於5%），幾乎所有的快速電波爆都屬於重複型爆發，以量化方式明確指出重複型爆發的比例遠遠超過先前認為的數個百分點（圖3）。

本研究顛覆了傳統觀念，提出快速電波爆中重複型爆發比例可能高達100%的重要結論。過去，由於觀測到的單次爆發比例較高，學界普遍認為快速電波爆主要源自於雙中子星合併等一次性爆發事件。然而，本次研究結果明確指出，絕大多數的快速電波爆必須源自於能夠產生重複型爆發的天體，如中子星閃焰。這項發現大幅推進了我們對快速電波爆起源的認識。未來，更深入的研究將致力於揭示重複型爆發的特性和爆發機制，以期直接解開快速電波爆的起源之謎。


 
            図2(中文)     
圖2: (左圖)被歸類為「單發型」的高速電波爆發（Fast Radio Burst, FRB）之平均發現率（即每單位時間內的探測數量）隨時間的變化。從觀測開始後 600 小時至 4000 小時之間，可以看出發現率下降了約 2 倍。(右圖) 理論預測的單發型 FRB 發現率隨時間變化的趨勢（紅線）。當誤認為單發型的重複型 FRB 的混入率為 0% 時，單發型 FRB 的平均發現率不會隨時間變化。然而，隨著混入率的增加，這些被誤認為單發型的重複型 FRB 會因為再次爆發而被重新分類，不再計入單發型 FRB，因此整體發現率會隨時間下降。（來源：山崎翔太郎）

 
 図3(中文)

  圖3:在95%的信賴水準下（隨機得到此結果的機率低於5%），幾乎所有的快速電波爆都屬於重複型爆發，以量化方式明確指出重複型爆發的比例遠遠超過先前認為的數個百分點
用語解釋：　
註1  無線電波望遠鏡：比可見光和紅外線波長更長的電磁波稱為「電波」，而電波望遠鏡則用於觀測宇宙中的各種天體現象。本次的主題「快速電波爆」，通常是在頻率約為幾GHz的電波中被發現。
註2　脈衝星（波霎）：超新星爆炸後殘留的中子星，擁有極其強大的磁場，強度可達1億特斯拉（約為地球磁場強度的10兆倍）。其自轉週期介於數毫秒至數秒之間，並以極高的週期性發射電波脈衝，因此被譽為「宇宙中最精準的時鐘」。
註3　遙遠宇宙：光需要耗費與宇宙年齡（約137億年）相當的時間才能到達的距離，被稱為「宇宙學上的遙遠距離」。通常指大於數十億光年的距離，而快速電波爆正是從這深邃的宇宙中傳抵地球。
 
發表期刊資訊：
  • 期刊名稱：Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 
  • 論文標題：The true fraction of repeating fast radio bursts revealed through CHIME source count evolution
  • 作者：Shotaro Yamasaki*, Tomotsugu Goto, Chih-Teng Ling, Tetsuya Hashimoto (*第一作者山崎翔太郎研究員為論文的負責作者)
  • DOI碼：https://doi.org/10.1093/mnras/stad3844
高畫質連結
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http://www.phys.nthu.edu.tw/~tetsuya/press_release/20250314/high/SY_magnetar_high.pdf
http://www.phys.nthu.edu.tw/~tetsuya/press_release/20250314/high/SY_NSNS_high.pdf
低畫質連結
http://www.phys.nthu.edu.tw/~tetsuya/press_release/20250314/low/SY_FRB_low.pdf
http://www.phys.nthu.edu.tw/~tetsuya/press_release/20250314/low/SY_magnetar_low.pdf
http://www.phys.nthu.edu.tw/~tetsuya/press_release/20250314/low/SY_NSNS_low.pdf
※使用圖片時，請註明「提供：山崎翔太郎」或「Credit: Shotaro Yamasaki」。

 

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