等你在下一个238天: 银河系磁陀星SGR J1935+2154的X射线爆发事件的周期分析


南京大学与河北师范大学合作,利用Fermi卫星的历史观测数据对已知的软伽马射线复现源 SGR J1935+2154的爆发进行搜索及周期性分析。结果于2021年12月20日发表在美国《天体物理快报》(Astrophysical Journal Letters)[1]。研究团队通过分析Fermi卫星的历史观测数据对一个已知的软伽马射线复现源(Soft Gamma-ray Repeater,SGR),SGR J1935+2154的爆发现象进行搜索,并对其活动规律进行了研究。此次搜索共认证了353个来自SGR J1935+2154的X/Gamma射线爆发。对这个样本的周期分析表明,SGR J1935+2154存与重复快速射电暴(FRB)相似的周期行为,其周期为238天。

什么是SGR

软伽马射线重复暴(Soft Gamma Repeater, SGR)是一种来自宇宙深空的爆发现象,该现象起源于一种十分罕见的中子星——磁陀星。 这类天体是大质量恒星演化到生命末期后的产物,并且拥有及其强大的磁场(1015G)。SGR每隔几年或者几十年进入一次活跃期,活跃期间产生一系列X/gamma射线爆发。SGR爆发可以分为3类,短持续时间爆发(如图1),中等爆和超级耀发。爆发能量来源于磁陀星强大磁场的衰减。到目前为止已经确认的SGR有13个,其中绝大部分分布在银河系内。最近的一项研究工作[2]也证实了河外磁陀星亦可提供伽马射线暴爆发的能量来源。

SGR J1935+2154

SGR J1935+2154是首个被发现与快速射电爆(FRB)有着密切联系的SGR。其在2014年由Swift卫星首次发现,是目前比较活跃的SGR。从2014年至今,SGR J1935+2154经历了8次活跃期,已观测到的爆发超过300个。其中在2020年4月28日,中国的硬X射线调制望远镜"慧眼"(HXMT)和加拿大氢强度测绘实验(CHIME)射电望远镜分别观测到来自SGRJ1935+2154的X射线暴和与之成协的快速射电暴。该事件有力的证明了FRB磁陀星起源的假说,也暗示着FRB和SGR之间存在密切的关系。天文学家已经证实一些重复快速射电暴存在一种周期性行为,称作周期窗口行为(PWB)。这种周期窗口行为描述FRB活跃期是周期出现的,而爆发与爆发之间不一定存在周期性。考虑到SGR与FRB的密切关系,SGR J1935+2154的SGR现象或许也存在这类似FRB的周期行为。

图 2 本研究工作搜到8年多数据得到的SGR J1935+2145 的磁星爆发汇总。

图片来源:Zou, J.-H. et al, 2021, ApJL, 923, 30. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac3759


SGR J1935+2154的活动周期

通过搜索费米卫星(Fermi)上的伽马暴探测器(GBM)所观测的历史数据,科研团队确认了SGR J1935+2154的8个活跃期,共353个独立的爆发(图2)。随后团队使用Lomb-scargle方法对SGR J1935+2154的爆发率进行了分析。 分析结果显示,SGRJ1935+2154存在238天的周期(图3),占空比约为63%。科研团队根据238天的周期还准确预测了SGR J1935+2154的第8个活跃期。


由于没有证据表明SGR J1935+2154是双星系统,一个比较自然的假设是SGR J1935+2154的周期起源于磁陀星的自由进动。根据SGR J1935+2154的进动周期238天和自转周期3.24s,科研团队计算了磁陀星极向分量的磁能占总磁能的83%,这表明极向分量比环形分量更占优势。有趣的是,目前数个FRB( 如FRB 121102 )也表现出周期性行。尽管FRB 200428目前还没有被观测到周期行为,但其与SGR J1935+2154的X射线爆发之间的关联,以及这些X射线爆发呈现的周期行为有助于人们更进一步展开对FRB的起源的研究。


本项研究以《Periodicity Search on X-Ray Bursts of SGR J1935+2154 Using 8.5 yr of Fermi/GBM Data》为题在2021年12月20日发表于美国《天体物理学快报》上。南京大学天文与空间科学学院与河北师范大学物理学院联合培养的硕士研究生邹金航同学为论文第一作者,南京大学张彬彬老师与河北师范大学邵琅老师为论文共同通讯作者,南京大学的王发印老师及博士生张国强、杨雨涵同学合作参与了本研究工作。本工作得到国家自然科学基金、科技部重点研发计划、中国空间站项目、江苏省双创计划、中央高校基本科研业务费专项资金等支持。


图 3 磁陀星SGR J1935+2154的爆发周期。紫色阴影区域表示本研究工作所证认的周期为238天的爆发活动区间,绿色阴影区域表示本工作所预测的爆发活动区间。

图片来源:Zou, J.-H. et al, 2021, ApJL, 923, 30. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac3759


[1] Zou, J.-H., Zhang, B.-B. et al., Periodicity Search on X-Ray Bursts of SGR J1935+2154 Using 8.5 yr of Fermi/GBM Data, 2021, ApJ Letters, 923, 30 .

[2] Yang. J, Vikas Chanda, Zhang, B.-B. et al. , GRB 200415A: A Short Gamma-Ray Burst from a Magnetar Giant Flare? 2020,ApJ, .899, 106



(供稿:邹金航,张彬彬)