快速射電暴（Fast Radio Burst,簡稱FRB）是宇宙中一類持續時間為毫秒量級的超亮射電脈沖信号，其起源和産生機制是當今天文學的謎題之一。2007年天文學家首次在脈沖星巡天數據中發現FRB後，FRB的研究迅速成為天文學前沿熱點之一，2023年度邵逸夫天文學獎近期被授予FRB的發現者。2020年4月28日，加拿CHIME射電望遠鏡和美國STARE-2探測器探測到來自銀河系内一顆名為SGR J1935+2154磁陀星的射電暴發FRB 200428。同時，我國的慧眼（HXMT）衛星、歐洲的INTEGRAL衛星、俄羅斯的KONUS-WIND探測器和意大利AGILE衛星探測到了與FRB 200428成協的X射線暴發現象（簡稱 FRB 200428-X）。這是人類首次明确磁陀星可以産生FRB，證實FRB在瞬時輻射階段存在X射線波段的對應體。關于FRB 200428的研究成果被英國《自然》（Nature）雜志評為2020年十大科學發現之一，并被美國《科學》（Science）雜志列入2020年十大科學突破，被認為是理解快速射電暴本質的重要裡程碑。

近日，beat365官方网站重離子物理研究所喬賓教授團隊和中國科學院紫金山天文台吳雪峰研究員團隊合作，首次揭示了FRB 200428-X可能起源于磁陀星附近的量子電動力學（QED）極端條件下磁重聯爆發過程。從第一性原理出發，通過對磁陀星磁層QED重聯和多重逆康普頓散射的跨尺度物理過程自洽集成模拟，合作團隊成功解釋了慧眼衛星團隊觀測到的非熱硬X輻射FRB 200428-X的能譜、光變曲線等天文觀測數據主要特征，首次給出了完整的FRB 200428-X起源模型。相關研究論文以封面文章發表于《科學通報》（Science Bulletin）雜志2023年第17期。

磁重聯是天文中最基本的磁能耗散過程。在這一過程中，磁場拓撲結構迅速發生重新排列，磁場能量被快速釋放轉化為粒子的動能與内能。磁陀星是表面磁場強度為地球磁場強度百萬億倍以上的中子星，在活躍期間會出現劇烈的X射線暴發。因為磁陀星附近磁場強度極大，所以對在其附近發生的重聯過程需要考慮QED效應，包括輻射阻尼、正負電子對的産生和真空極化等。基于此背景，合作團隊為 FRB 200428-X 的起源提出了一個完整模型，主要包括兩個階段：第一階段，高能粒子在磁陀星磁層内的通過無力片 QED 磁重聯加速到高能，如圖1所示的紅線和綠色粒子點；第二階段，高能粒子與從磁陀星光球層 (棕色圓盤) 發射的軟 X 射線光子 (棕色螺旋箭頭) 發生多次逆康普頓散射過程，産生硬 X射線 光子，最終被觀測接收到。

圖 1：FRB 200428-X的QED磁重聯起源模型示意圖

針對兩個階段的集成跨尺度數值模拟中，合作團隊首先通過動理學粒子模拟QED磁重聯過程，揭示了QED效應對磁重聯加速産生的粒子能譜幂率譜譜指數和截止能量的顯著影響；并通過調控磁重聯磁化參量（定義為磁能密度和物質焓密度的比值），獲得QED磁重聯加速過程産生的高能粒子（正負電子）能譜（如圖2）。接下來，合作團隊将逆康普頓散射蒙特卡羅計算模塊自洽耦合入粒子模拟程序，将模拟尺度從微觀動理學擴展到宏觀天文學尺度，并将第一階段磁重聯加速得到的高能粒子和從磁陀星光球層發射的背景軟 X 射線光子注入模拟空間，考慮共振散射效應，開展多次逆康普頓散射過程的大尺度模拟，最終獲得經過多次散射後的硬X射線譜，與HXMT觀測能譜相比對，限定了FRB 200428-X區域的磁化參數區間（如圖3）。數值模拟清晰地展示了強磁場環境下QED效應對磁重聯微觀粒子加速過程和宏觀天文觀測結果的顯著影響，為研究極端環境下天文觀測數據提供了新的思路。

圖 2：由磁重聯驅動加速的電子能譜及其對應的幂律指數随不同磁化參數的變化

圖 3：針對不同磁重聯加速電子能譜，多重逆康普頓散射過程獲得的硬X射線光子能譜和光變曲線（對比觀測數據）

beat365官方网站博士生謝雨、中國科學院紫金山天文台副研究員耿金軍為共同第一作者。喬賓、吳雪峰為共同通訊作者。該研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金委重點基金、傑出青年基金、中國科學院戰略重點研究計劃、挑戰計劃、中國科學院青年創新促進會的大力支持。

論文鍊接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.06.005