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超强激光科学卓越创新简报

(第八百一十二期)

2026年8月19日

上海光机所揭示宇宙快速射电暴中的强场辐射反作用效应

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室与云南大学西南天文研究所合作，首次在FRB的相对论磁化激波辐射模型中引入辐射反作用效应。研究表明辐射反作用可显著改变激波相干辐射特征，预测的辐射特性与FRB天文观测现象高度吻合。相关工作以“Radiation Reaction Effects on Coherent Emission in Relativistic Magnetized Shocks”为题发表于Physical Review Letters。

快速射电暴（Fast Radio Bursts, FRBs）是宇宙中的一种极其明亮的射电瞬变信号，具有GHz特征频率、毫秒持续时间、强相干性等特征，一般来自银河系外。FRB的河外来源使其成为目前星系际物质探测和宇宙模型检验的新兴手段，同时作为宇宙中能量最大的射电暴发现象之一，FRB提供了宇宙中天然的强场辐射环境。自2007年探测到第一例FRB事件至今，近20年间已有4000余例FRB探测报告，但其辐射机制尚不明确。

相对论磁化激波广泛存在于各类天体环境中，是高能宇宙射线的重要加速和辐射场所，同时也被普遍认为是FRB的重要产生机制之一。在FRB的激波辐射图像中，源自磁星的超相对论抛射物质与星体外围的磁化星风相撞产生相对论激波，上游冷等离子体进入磁化激波后被加速并作同步回旋运动产生类同步辐射。后者被称为先导波，可从激波上游传播出去，成为地球所观测到的FRB。

根据FRB观测亮度的估算出的源辐射场归一化振幅平均在，超过目前地球上强激光聚焦场2个量级。根据上海光机所与德国杜塞大学2014年发展的理论 [PRL,112,145003,(2014)]，当GHz电磁波的归一化振幅达到时，与其相互作用的高能粒子将受到明显的辐射阻尼，进入辐射反作用（Radiation Reaction, RR）主导的新区域。

基于这一思路，团队首次在强相对论激波相干辐射过程中纳入RR效应。研究发现， RR效应使得磁化激波头部的粒子能量迅速衰减，从原有物理图像中的单次辐射变为为多次相干辐射，其回旋周期变得更小。这种由RR引起的多周期相干辐射机制使辐射谱出现明显共振峰，同时引起辐射强度增强（提高5倍左右）、峰值频率的提高、辐射带宽增大。这些新特征与多项FRB的观测现象吻合：例如单次暴和重复暴统计所表现出的亮度-谱宽分布的正相关性与RR相干辐射模型的亮度增强与带宽增大一致；若干FRB观测中表现出的极窄频带特征与理论预言的共振峰一致；重复暴FRB20121102A的高、低能双模式分布及其亮度比值（约为5）与RR辐射增强一致。同时研究人员从理论上给出了GHz辐射的RR效应触发条件，所得磁化率、电子密度等关键参数的有效范围与磁星风的典型对应值重合。

该工作为解释这些未知的FRB观测现象、理解FRB和宇宙中极端高能电磁信号的辐射机制提供了新视角，开拓了基于高能天体观测进行极端强场物理效应验证的新途径。

超强激光科学与技术全国重点实验室博士后张宇为第一作者，相关工作得到了国家自然科学基金基础科学中心项目、中国科学院战略性先导科技专项和中国科学院基础研究领域青年团队计划等支持。

图 1. 考虑RR前后的激波计算结果对比：激波处的密度、磁场分布对比(a-b),相对论冷电子喷流的相干回旋轨迹(c-d), 电流分布（e-f）

图 2. （a-c）考虑RR效应前后的激波相对论因子、相干辐射强度和能量转化效率对比；(d-f) FRB参数区间（透明色块覆盖区）内的能量转化效率增强效果

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