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快速射电暴：时下天文学中的最大谜题
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Daniel Cossins 文 Shea 编译 |
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10年来，宇宙中的快速射电暴一直在困扰着科学家。现在，也许开始出现了转机。 2015年11月，天文学家在筛查射电望远镜的数据时， 突然发现了一个似曾相识的信号。它是一个来自遥远星系的脉冲射电信号，脉冲的时长仅1个毫秒（1毫秒=0.001秒），但这却并不是它第一次出现。 这无疑是打破寂静的一声惊雷。这些信号被称为快速射电暴，自首次发现10多年来，一直不清楚它们的起源。从碰撞的中子星到爆发的黑洞，再到外星人飞船发出的波束，莫衷一是。猜测一度比探测到的信号还要多。 不过现在有了新的射电望远镜，对快速射电暴的搜寻也已蓬勃发展。即便确切的成因仍然未知，但这些神秘的爆发可以照亮宇宙，让科学家一窥最漆黑、最遥远的宇宙巨洞。 快速射电暴并不罕见。它们每时每刻都会出现在天空中的各个方向。但来也匆匆、去也匆匆，因此在很长的时间里都与它们擦肩而过。2007年，天文学家发现了第一个快速射电暴。不过，这其实是在它已被不经意间探测到之后6年才做出的。当时天文学家正在存档的射电望远镜数据中寻找与之完全不同的脉冲星，但有一个信号让他们感到奇怪。 这个信号持续时间不到5毫秒，但这个爆发释放的能量据估计却和太阳在1个月内发出的相当。这并不是该信号唯一让人好奇的地方。它发出的高频电磁波抵达地球的时间比它发出的低频电磁波要早一点点，使得它具有了奇特的样貌，就像一束光经过棱镜之后会形成彩虹。 这是由于电子和其他粒子散射电磁波所致，被称为色散。测量到的色散越大，信号穿过的物质就越多，运动的距离就越远。它本质上可以表征信号源的远近。根据观测到的色散，据估计这个信号来自数 十亿光年之外的一个星系。 如果你认为这听起来荒唐，那你并不孤单。这个信号非常强大且来自遥远的宇宙，许多天文学家都不相信它是真实的。但在过去的12年里，射电望远镜又发现了几十个快速射电暴，所有的色散测量都表明它们起源自银河系之外。但对于是什么产生了它们却鲜有一致的看法。 这种情况非常罕见。这些爆发持续的时间这么短，又来自这么遥远的宇宙深处，驱动它们的“引擎”必定不同于在银河系中所见的情况。无论快速射电暴源自于什么，它们肯定是前所未见的。 由于仅探测到几个案例，因此所能知道的也就这么多。虽然色散测量能告诉我们大致的距离，但却无法由此确定它们所在的宿主星系。于是，2015年的发现成为了重大转折点。有了这个重复出现的信号，就能使用高分辨率望远镜来回溯它的位置，更精准地确定它的来源。  为此，天文学家说服了美国甚大天线阵的管理方，把时间赌在观测有关的天区上。在一无所获地观测和等待了100个小时之后，突然在同一个位置又出现了另一个信号！ 这个快速射电暴被称为斯皮特勒暴，以2012年11月2日第一个发现它的天文学家劳拉·斯皮特勒（Laura Spitler）命名。其正式名称为FRB121102。自从4年前开始定期监视它以来，它已经爆发了数百次。这些爆发出现的时间似乎是随机的。即便如此，天文学家仍能由此找到它的源头。有天文学家在2017年1月报告，它来自一个距离30亿光年的矮星系。 1年之后，通过研究这一再现快速射电暴的射电波在太空中传播时所发生的转动，天文学家得到了有关它本质的更多线索。这一效应被称为法拉第旋转，是由磁场所导致的。一开始什么也没发现，但当天文学家扩大搜索范围寻找更加极端的效应时发现，FRB121102信号的法拉第旋转极其大，表明那里的磁场比银河系要强许多倍，暗示其中央引擎可能是超大质量黑洞。 包括黑洞在内，天文学家曾经设想快速射电暴的起源有很多，但都没办法确定。不过也有人对此提出质疑，认为在快速射电暴中观测到的极端强磁场并非与它的起源地有关，而是位于其传播路径上的。 CHIME大显身手 尽管斯皮特勒暴一次又一次地出现，但并不足以最终下定论。2019年初，即便在正式开始运转之前，加拿大氢强度勘测实验（CHIME）发现了一批新的快速射电暴。这架新型的射电望远镜是设计来勘测早期宇宙中氢气三维分布的，它们会在特定的射电频率上发出暗弱的辐射。 让加拿大氢强度勘测实验鹤立鸡群的是它的视场。大多数射电望远镜只能研究一小片天区，而它却可以每天对整个北天扫描一遍。由此会产生海量的数据，唯有使用尖端的算法才能筛查这些数据。 2018年夏，该望远镜当时处于试运行阶段，还没有完全投入使用。部件仍在安装中，系统也仅实现了一部分的性能。因此，当它发现快速射电暴时，每个人都感到吃惊。到2019年初，又有好消息传来。天文学家持续跟踪着观测到的快速射电暴，结果在同一个位置观测到了两次爆发。于是，发现了第2个再现快速射电暴。 新发现的这个被称为FRB180814，它证明第一个再现快速射电暴并非偶然。考虑到这是在CHIME发现的第一批快速射电暴中找到的再现源，再现快速射电暴也许会很普遍。 然而，更重要的是这两个再现快速射电暴的信号之间有着惊人的相似性。每一个都有一系列的次脉冲，从高频到低频依次抵达望远镜。这一相似性使得之前测到的强磁场更有可能与快速射电暴的起源地有关，而非其传播的路径。 目前，对快速射电暴起源的主要怀疑对象是强磁星，它们是有着强磁场的年轻中子星，其磁场强度是地球磁场的数千万亿倍。它们会喷射出电子和其他带电粒子，积聚成一片巨大的星云。由此可以形成快速射电暴。当新爆发出的物质与这个高度磁化的星云相碰撞时，激波会激发该星云外边界处的电子，进而产生短暂的射电波爆发。这个模型不仅能解释再现快速射电暴的随机爆发，还能解释次脉冲序列。当激波减速时，发射出的射电信号就会向频率较低的波段转移。 虽然还没有测量到第二个再现快速射电暴的法拉第旋转，但第一个的高旋转与强磁星理论相符。这让许多天文学家站在了强磁星这一边，但并非所有人。尽管大多数人认为再现快速射电暴的子结构可以提供其发射机制的线索，但仍有其他人相信这是信号穿过宇宙中物质的结果。此外，非再现快速射电暴可能与再现的有着不同的起源。 无论如何，强磁星模型的优点是它可以预言观测。首先，未来可见的任何快速射电暴都会具有相同的次脉冲序列。其次，快速射电暴应该来自正在产出大量年轻恒星和强磁星的星系。如果确实在这些星系中不断地找到快速射电暴，这会让支持该理论的天文学家增添信心。 目前所需的是发现更多的快速射电暴。一旦CHIME在2019年正式投入运转，它应该每天会发现数个快速射电暴。由36面射电天线组成的澳大利亚平方千米阵探路者甚至可以测定非再现快速射电暴的宿主星系。对快速射电暴的搜寻正在进入一个全新的阶段。 但事情并没有就此结束。如果可以观测到足够大的样本，快速射电暴会有望能回答一些关于宇宙历史和结构的根本问题。 其中之一便是重子失踪问题，即宇宙中大量的普通物质不见了。由重子构成的普通物质占据了宇宙的5%。其余的是暗物质和暗能量。但到目前为止，只能探测到这些重子中的一半。大多数天文学家认为，剩余的重子都位于星系间广袤的巨洞中。问题是目前没有仪器具有足够的灵敏度能探测这些巨洞，更别提那里的物质密度极其的低。然而，由于快速射电暴会穿过宇宙中一些最黑暗的角落，它们可以充当探测宇宙神秘巨洞的探针。通过携带与其所穿过介质有关的信息，快速射电暴可以有助于搞清楚巨洞中含有多少普通物质，这是其他探测方法无从做到的。 仔细研究快速射电暴射电波的旋转还能告诉天文学家遥远巨洞中磁场的强度。目前对这些磁场的认识几乎为零。精确的测量可以告诉我们在宇宙最早的时刻是否存在磁场；如果存在，它们对于塑造今天的宇宙又发挥了什么作用。如果能够证明在紧接着大爆炸之后的暴涨时期就存在磁场，那它们必将成为任何宇宙学理论都必须要考虑的因素。 但任何的这些测量都绝非易事。快速射电暴源于无比强大的宇宙天体，经过了它们沿途的所有物质，由此导致了在地球上测到的色散和法拉第旋转。其中的挑战是区分开其中不同的贡献，这需要等待下一代射电望远镜才能实现。 多年来这些爆发一直在我们眼皮子底下发生，每天有大约几千个会抵达地球。这就像一部宇宙侦探小说。即便无法搞清楚是什么产生了快速射电暴，它们也能为研究宇宙提供一条新的途径。
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[New Scientist 2019年5月11日]
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2001-2022火流星工作组制作
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