宇宙深处的“闪灵”

 
宇宙深处的“闪灵”  
 

澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）的ASKAP望远镜阵列探测快速射电暴想象图。图片来源：OzGrav, Swinburne University of Technology/ICRAR

如果有更多的快速射电暴被准确定位，它们的红移能够被准确测量，那么结合快速射电暴的红移和色散量信息，我们可以测量宇宙的重子数密度、限制宇宙学参数和暗能量状态方程、限制宇宙再电离历史、检验物理学基本原理，等等。此外，快速射电暴物理起源的研究对我们了解致密星物理、恒星形成与演化等具有重要价值。

■本报实习生 池涵 记者 李晨

随着加拿大氢强度测绘实验（CHIME）项目新发现的13个快速射电暴(包括一个重复射电暴)1月9日在《自然》杂志上发表，快速射电暴（FRB）一跃成为“网红”。然而，关于快速射电暴起源的解释一时众说纷纭，甚至有大众科学爱好者将重复射电暴解读为外星人。

日前，中科院紫金山天文台博士生张松波及其导师吴雪峰研究员以及澳大利亚合作团队又从Parkes望远镜的历史数据中挖掘出了新的快速射电暴事件。他们的成果以“快讯”形式发表在国际天文学期刊《皇家天文学会月报》上。

微波炉还是天文现象

快速射电暴刚被发现时可没有这么火爆。它第一次被发现是在2007年，现为美国西弗吉尼亚大学物理与天文学系教授的Duncan Lorimer与合作者在研究澳大利亚64米望远镜Parkes 2001年记录的数据时，发现了一个时间非常短，但是能量很强的信号。

这个信号有多强呢？

吴雪峰说，相当于太阳在几个月内辐射的能量在几毫秒的时间内释放出来。

同时，通过测量这个事件的色散量，Lorimer等人发现该事件可能来自银河系外遥远的宇宙深处。

什么是色散量呢？国家天文台研究员、“天籁计划”首席科学家陈学雷对《中国科学报》解释道，我们通常认为是真空的宇宙里其实有稀薄的等离子体，当无线电波穿过等离子体时会发生一定程度的色散。一个天文事件距离我们越遥远，无线电信号遭遇的等离子体中的自由电子数量一般也越多，因此我们观察到它时测量出的色散就越大。而通过对Lorimer事件375 cm-3pc的色散量计算得出的距离远在银河系边界以外。

当时，由于射电频率的观测非常容易受到人为因素干扰，科学家们对这个发现非常谨慎。2011年，曾有澳大利亚科学家研究了前一年发现的16个类似快速射电暴的信号，发现这些信号都是中午吃饭时间记录的，而且都是大气层内发出来的。吴雪峰告诉《中国科学报》，原来它们竟然是微波炉突然被拉开门时磁控管造成的！

闹了这样一出乌龙，很多人更加不相信快速射电暴了。Lorimer的妻子、同是美国西弗吉尼亚大学物理与天文学系教授的Maura Mclaughlin回忆，Lorimer曾在讲座时被人面对面地公开挑战：“咱们这有多少人信快速射电暴？举个手！”

然而此后，一个又一个快速射电暴事件被世界各地的望远镜发现，特别是位于波多黎各的美国阿雷西博望远镜2012年观测到的一处快速射电暴，在后来的三年间又重复出现了10次。这些信号不是微波炉发出来的，它们来自距地球30亿光年的银河系外。

直至2018年9月底CHIME望远镜通过观测，在几周内接连发现了13个快速射电暴，还观察到一个新的重复信号，这才有了开头关于快速射电暴的讨论在朋友圈刷屏的一幕。此时公布的快速射电暴事件约80例，其中绝大多数可能来自银河系外。

中科院紫金山天文台副研究员魏俊杰认为，全天空每天至少有几百例甚至几千例快速射电暴事件，与超新星爆发率相当。

人们终于认识到，快速射电暴不仅是自然发生的天文事件，而且具有重要的科学意义。

银河系外的神秘信号

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论文第一作者张松波介绍道，此次发现的事件是已发现的快速射电暴中脉冲宽度最长的一个（24.3±1.3 毫秒），第九个色散超过1000 cm-3pc的（1187±14 cm-3pc），并且与Lorimer发现的快速射电暴来自同一批Parkes数据，是利用优化的脉冲星搜索软件包（PRESTO）和澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）的高性能计算集群，进行了更大色散范围的数据挖掘得到的。

张松波告诉记者，目前寻找快速射电暴的方式主要有档案库数据搜索和望远镜实时监测两种。现在搜寻快速射电暴的主力望远镜（如Parkes、ASKAP、 CHIME等）都已经配置了快速射电暴实时监控系统，一旦有比较明显的快速射电暴类似信号触发，研究人员将会迅速对此信号进行进一步的验证。同时，对于观测到的新数据和数据库中的历史数据，通过更好的射电干扰信号消除和更新更详细的搜寻方式，也能够寻找到新的快速射电暴信号。

魏俊杰告诉《中国科学报》，如果有更多的快速射电暴被准确定位，它们的红移能够被准确测量，那么结合快速射电暴的红移和色散量信息，我们可以测量宇宙的重子数密度、限制宇宙学参数和暗能量状态方程、限制宇宙再电离历史、检验物理学基本原理，等等。此外，快速射电暴物理起源的研究对我们了解致密星物理、恒星形成与演化等具有重要价值。

脉冲星、黑洞还是“星震”？

对于快速射电暴的解释，除了大众此前广为关注的可能是高等外星人向地球发射的信号以外，吴雪峰告诉记者，目前已经提出的快速射电暴的物理模型有二三十种之多。

据吴雪峰团队博士生邓灿敏介绍，总的来说快速射电暴的模型可以分为两类：可重复暴发模型和非可重复暴发模型。

对于可重复暴发，最流行的模型是中子星的活动。例如重复快速射电暴有可能是年轻脉冲星的超级巨脉冲。快速射电暴信号与银河系中的蟹状星云脉冲星的巨脉冲非常相似。不过目前的困难是快速射电暴的能量要比一般的巨脉冲高几个量级，但也不排除年轻的脉冲星可以产生足够强大的超级巨脉冲。

重复快速射电暴也有可能是磁星(有超强磁场的中子星)的巨耀发产生。就像我们银河系内的磁星那样，磁星磁层的活动会导致磁能的快速释放而产生耀发，耀发的能量要比快速射电暴的能量高几个量级，仅需要极少部分的能量转化为射电辐射就可以产生快速射电暴。

此外，脉冲星和小行星的碰撞，以及靠近超大质量黑洞的脉冲星受到黑洞外流的袭击，也在理论上被用以解释快速射电暴。

而最主流的非重复快速射电暴模型是双致密星并合，包括白矮星、中子星和黑洞两两之间的并合。双致密星并合过程中磁层的相互作用、磁偶极辐射和电偶极辐射所释放的能量有可能会转化成射电辐射，都有可能产生一次性的快速射电暴。此外，致密星的塌缩，例如白矮星塌缩成中子星，中子星塌缩成奇异星或者黑洞也有可能产生一次性的快速射电暴。

总的来说，在众多模型中，虽然目前不确定哪个模型是正确的，但天文学家们大多相信快速射电暴应该是与致密星密切相关的。

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陈学雷认为，小而致密的中子星很适合解释小而强烈的快速射电暴。在最近的研究中，陈学雷也和研究生王维扬、北京大学天文学系教授徐仁新以及美国内华达大学拉斯维加斯分校物理和天文学院教授张冰的团队一起提出了 “星震”模型。

他们发现，重复快速射电暴的强度分布规律类似于地球地震的规律，弱震很多、强震很少。而且，每一次的信号实际上是由若干个连接紧密的小信号组成的，这些小信号有频率从高到低的“漂移”现象。陈学雷认为，这是脉冲星表面发生了类似于“板块运动”的事件，释放的高能粒子从脉冲星内部向外运动并聚集，最终以快速射电暴的形式释放能量形成的。

瞄准FRB的“天眼”

陈学雷认为，在对快速射电暴的观测中，我国需要解决“灵敏”和“视场”两个问题。

首先，因为快速射电暴的闪烁时间很短，在毫秒级，因此观测它的望远镜要实现更高的时间分辨率并能够记录激增的大量数据。

在这方面，魏俊杰告诉记者，我国自主研制的“天眼”FAST是世界上最大的单口径射电望远镜，其灵敏度比德国波恩100 米望远镜高约10倍，其综合性能比美国的阿雷西博300米望远镜高约10倍，“天眼”将在未来20—30 年保持世界一流设备的地位。“天眼”能同时接收频率在70MHz-3GHz之间的射电信号，完全有能力探测到快速射电暴信号。

此外，由于单天线望远镜存在视场小的问题，很多出现在其他位置的FRB事件就被错过了，而装备独特接收机的望远镜阵列如澳大利亚SKA探路者（ASKAP）和加拿大的CHIME可以实现大视场。ASKAP采用“相控阵馈源（PAF）接收机”,可以使其每个天线相当于30 deg2视场；CHIME则配备“1024双极化射电接收机”，能形成250 deg2的宽视场，在探测FRB方面被寄予厚望。

邓灿敏向《中国科学报》介绍，目前FRB领域最期待解决的是快速射电暴宿主星系和电磁对应体的搜寻，即将重复暴和非重复暴宿主星系和对应体作直接对比，揭示它们是否有同一起源，这项研究可以揭示快速射电暴的形成环境和起源。目前ASKAP已经对一部分快速射电暴精确定位，CHIME由于其强大的探测能力，有望在一两年内观测到成千上万个快速射电暴，其中必定有一部分是重复暴，由于其重复性，也有希望对其精确定位，不久将迎来重大突破。此外，由于CHIME预期会观测到数量较大的快速射电暴，大样本的统计、在宇宙学中的应用等研究也将会如火如荼地展开。

相关论文信息：DOI：10.1093/mnrasl/slz023

世界上最大的单口径射电望远镜—FAST“天眼”望远镜。

《中国科学报》 (2019-03-26 第8版 探索发现)

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