中国科学院紫金山天文台耿金军副研究员、吴雪峰研究员与北京大学等研究人员合作提出与快速射电暴FRB 200428成协的X射线爆发起源于强磁场重联过程，通过粒子动理学模拟方法（Particle in Cell,简称PIC方法）成功解释这一爆发事件的能谱、光变观测特征。相关研究成果在2023年9月1日以“FRB成协X射线暴发的起源：QED磁重联”（Origin of FRB-associated X-ray burst: QED magnetic reconnection）为题，以封面文章形式在线发表于《科学通报》（Science Bulletin）。
快速射电暴（Fast Radio Burst,简称FRB）是宇宙中一类持续时间为毫秒量级的超亮射电脉冲信号，其起源天体和产生机制是当今天文学谜题之一。自2007年发现以来，FRB的研究迅速成为天体物理学前沿热点之一，2023年度邵逸夫天文学奖近期被授予FRB的发现者。2020年4月28日，加拿CHIME射电望远镜和美国STARE-2探测器首次探测到来自银河系内一颗名为SGR J1935+2154磁陀星的射电爆发FRB 200428。同时，我国的慧眼（HXMT）卫星、欧洲的INTEGRAL卫星、俄罗斯的KONUS-WIND探测器和意大利AGILE卫星探测到了与FRB 200428成协的X射线爆发现象（简称 FRB 200428-X）。这一观测事实确认了磁陀星星可以产生FRB，证实FRB在瞬时辐射阶段存在X射线波段的对应体。关于FRB 200428的相关研究成果被英国《自然》杂志评为2020年十大科学发现之一，并被美国《科学》杂志列入2020年十大科学突破，被认为是理解快速射电暴本质的重要里程碑。
吴雪峰领衔的紫金山天文台高能时域天文研究团组，与北京大学物理学院重离子物理研究所、核物理与核技术国家重点实验室乔宾教授课题组合作，基于第一性原理给出了FRB 200428-X 的精细起源模型。由于磁陀星附近磁场强度极大，量子电动力学（QED）效应（包括辐射阻尼、正负电子对的产生和真空极化等）会在磁重联过程中扮演重要角色，也使得PIC方法成为相关研究的必要手段。研究团队创新性地实现集成跨尺度数值模拟，自洽结合QED磁重联对粒子的加速以及高能粒子与软光子多次逆康普顿散射两个过程（图1）。研究发现QED效应会对磁重联加速粒子能谱的幂率谱指数和截止能量产生显著影响（图2），并通过与HXMT观测能谱比较（图3），限定FRB 200428-X 爆发区域的磁化参数区间（见图3）。该工作通过跨尺度、多物理的数值模拟方法，提出了一个较为全面的FRB 200428-X 的物理起源模型，强调了 QED 效应对磁重联的微观粒子加速过程和宏观天文观测结果的显著影响，为研究极端环境下的天文观测数据提供了一种新的思路。
该工作中，北京大学物理学院2017级博士生谢雨、中国科学院紫金山天文台副研究员耿金军为共同第一作者，北京大学物理学院乔宾教授、中国科学院紫金山天文台副台长吴雪峰为共同通讯作者。该研究工作得到科技部平方公里阵列射电望远镜（SKA）专项项目、国家自然科学基金委专项和面上项目、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划以及中国科学院青年创新促进会的大力支持。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927323003754
图 1：FRB 200428-X爆发产生机制示意图
图 2：磁重联加速电子能谱及其对应的幂律谱指数对磁化参数的依赖关系
图 3：不同加速电子能谱经多重逆康普顿散射后的光子能谱和光变曲线与观测对比