尋找快速射電暴的源頭

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尋找快速射電暴的源頭

2001年澳大利亞的帕克斯望遠鏡（Parkes telescope）第一次探測到了快速射電暴。

天文學家從來沒有見過這種現象。2001年8月24日，他們接收到了一個來自數十億光年以外並持續5毫秒的射電暴。

鄧肯·洛里默（Duncan Lorimer）在2007年分析帕克斯望遠鏡的信號時發現了這次射電暴。「它太強烈了，我們不能忽視它，但是我們並不知道這是什麼。」

這種射電暴通常來自脈衝星（猛烈旋轉的中子星），它的射電信號會被地球上的射電望遠鏡有規律的檢測到，但是這次射電暴的能量遠遠高於其它已知的脈衝星射電暴。

在與他的前導師馬修·柏萊斯（Matthew Bailes）仔細分析了這些數據之後他意識到這個發現的重要性，如果這個射電源確實如此遙遠，那麼其在幾毫秒內爆發了相當於5億個太陽的能量。

但是，當沒有更多的信號出現時，最初的興奮慢慢變成了疑惑。科學家認為這些未知的射電信號可能是由手機、散射雷達、奇特的天氣或者儀器故障導致的，但是在過去的幾年裡，帕克斯望遠鏡和其它射電望遠鏡再次發現了類似的信號，使洛里默爆發更加廣為人知。今天，2001年的爆發被認為是發現了一種新的快速爆發源（FRBs），但它仍然是天文學中最令人費解的謎團之一。

不管這些物體是什麼，觀察都表明它們在普遍發生，平均每10秒天空中就會爆發一次。理論學家提出了黑洞蒸發、中子星碰撞和巨型磁暴等等假說，但是至今都沒有合適的模型來解釋所有觀測結果。

但是，我們也許很快就能知道真相了。全世界的望遠鏡都在尋找這些神秘的爆發。比如，2017年底，位於英屬哥倫比亞的加拿大氫離子強度巡天望遠鏡（CHIME）每天都應該可以觀測到十幾條FRBs信號。

謎團重重

天文學家最初對於洛里默爆發確實存在的信心是很大的，直到2010年，Sarah Burke-Spolaor 在整理帕克斯望遠鏡數據時，又發現了的16組信號。這些信號在很大程度上和洛里默爆發相似，他們也發生了位移，高頻率的波是在低頻率波的幾百毫秒之前出現。這些位移證明了這些信號很可能來自於銀河系之外。星際電子云可以和低頻率的電磁波發生作用，使它們比高頻電磁波晚到達地球。洛里默爆發的延遲很大，說明這些電磁波需要穿越遠遠超過銀河係數量的星際電子云。

但是伯克（Burke-Spolaor）發現的信號也和洛里默爆發的信號有一些不同：伯克發現的信號來自於各個方向，不論望遠鏡轉向哪裡，都可以接收到這個信號。現在這些信號有可能是人造信號產生的干擾，或者閃電導致的。

洛里默最終決定推遲對FRBs的研究。「我還沒有取得終身教授的席位，所以我還是應該把更多的時間放在主要的研究上。」但是貝利斯（Bailes）和他的團隊繼續對洛里默爆發進行了研究。2013年，他們又發現了四條可能是洛里默爆發的數據。外人對於他們的研究仍然持懷疑態度，很多人認為這些信號並不是來自外太空的，畢竟直至現在，全世界只有一台望遠鏡觀測到過這種信號。

「我多麼希望別人也能發現類似的數據啊」，貝利斯說。

終於在2014年，馬克思·普朗克研究所的一群由勞拉·斯皮特勒（Laura Spitler）帶領的天文學家宣布了他們也用阿雷西博射電望遠鏡觀測到了這一現象。

勞拉·斯皮特勒的發現讓很多人相信FRBs是真實存在的。但是，在伯克信號沒有得到解釋之前，結論仍有待商榷。

來自荷蘭天文台的天文學家艾米莉·彼得羅夫（Emily Petroff）用升級過的帕克斯望遠鏡在中午進行觀測。很快我們就接收到了一條類似的可疑信號，我們很快就找到了信號源。這些信號其實是因為科學家中午打開微波爐產生的。但是記錄顯示，觀測的時間和望遠鏡指向的方向似乎都不可能收到廚房微波爐的干擾。

「我當時有些擔心，有可能阿雷西博望遠鏡只是觀測到了來自微波爐的信號。「貝利斯說。但是在2015年，西弗吉尼亞的綠岸天文台也發現了類似的信號。這組信號的特徵再一次證實了這些信號的確來自宇宙。

靈光一現

但是我們依然不知道FRBs的來源到底是什麼。這些信號很短，大概只有5毫秒，所以這個天體直徑應該只有幾百千米。黑洞，中子星，或者超新星的緻密內核都有可能是這些信號的來源。儘管我們可以確定信號的能量巨大，但是仍有很多天體滿足這一條件，比如黑洞合并，磁星超級耀斑等。

今年年初斯皮特勒（Spitler）團隊報告發現了來自同一個源的兩次FRBs信號，而且有些信號在幾分鐘之內重複發生。這一現象也被綠岸望遠鏡證實了。在這之前，所有的FRBs信號都只被監測到過一次。似乎這些信號的來源都是一次毀滅性的爆炸或者碰撞，但是多次接收到這些信號證明了這些信號源並沒有被摧毀。彼得羅夫說，「我認為這些信號可能來自於一些中子星——目前我們所知的少數可以在爆發之後活下來的星體」。

斯皮勒也認同這種觀點。一次超新星爆發產生了蟹狀星雲和一顆高速旋轉的脈衝星。這顆脈衝星偶爾會產生一些很強的射電信號。如果這些星雲離我們距離更遠，質量更大，它就很有可能會產生像FRBs的信號。雖然這種信號重複沒有被其它望遠鏡發現，斯皮得勒也解釋說這有可能是因為其它望遠鏡不夠靈敏，或者是他們不夠幸運。

道阻且長

我們仍然無法確定FRBs的爆發源離我們有多遠。這20個爆發源似乎離我們很遠，而且並不集中在銀河吸積盤上。這似乎可以證明，這些信號來自於銀河系外。

哈佛大學教授艾維·羅勃（Avi Loeb）認為，這些發射源不可能離我們太過遙遠。「他們在短時間內釋放出了如此巨大的能量，而且沒有自我摧毀，這些因素都限制了他們與我們的距離。」他認為FRBs的來源很可是被電子云擋住的中子星。

也有很多科學家認為如此巨大的電子云應該可以被其它波段的信號發現。加州理工的天體物理學家庫爾卡尼（Shri Kulkarni）在分析了幾個不同望遠鏡的數據之後，並沒有發現這一電子云的存在。

當然，庫爾卡尼的這一結論並不能排除FRB信號很可能來自於距離我們10億光年的一個星系，FRBs的信號穿過了其來源星系的電子云。當然這些信號源離我們越近，其所需放出的能量就越小。

如果這些信號源的確來自其他星系，那麼它將可以幫助我們了解其它星系的結構，並證明空間物質的存在。

空間物質是一個困擾了科學家們數十年的問題。由於科學家計算的宇宙質量遠大於所有星體的總和，因此科學家們認為宇宙中應當存在很多冷物質。如果FRBs信號真的來自其它星系，他們將可以幫助我們計算出空間物質的密度。但是天文學家依然需要更多的數據來確定FRBs信號來源的確切位置。

方興未艾

確定FRBs信號源頭的辦法之一就是讓多台望遠鏡在不同的波段同時觀測。從去年起，帕克斯望遠鏡團隊就開始對望遠鏡進行升級。在每天兩個小時的時間段中，他們實驗性的把望遠鏡指向60億光年之外的的一個星系。

新建成的射電望遠鏡也可以更好的幫助我們監測FRBs爆發。2014年，麥吉爾大學的天體物理學家維多利亞·卡斯比（Victoria Kaspi）希望可以改造CHIME望遠鏡來監測FRBs爆發。CHIME原本是用來繪測宇宙早期膨脹圖像的，它可以監測更大面積的天空，在經過簡單的改造之後，它將有可能在明年開始監測FRBs爆發。卡斯比預測，CHIME望遠鏡每天都可以發現10餘個信號源。

在澳大利亞，貝利斯和他的團隊翻新了莫倫古天文台的望遠鏡，並將其用於FRBs監測。目前它已經發現了3個FRBs信號源。

另外一個確定FRB源頭的辦法是利用大型的射電望遠鏡陣列，利用其到達各個望遠鏡的時間差來獲得其高解析度的圖像。新墨西哥的27台望遠鏡陣列將可以完成這一任務，洛里默預測明年我們就可以確定一個FRBs爆發的來源。

庫爾卡尼在同時引導兩個項目，第一個是用10個5米望遠鏡組成的陣列對大面積天區進行監測，另一個是利用兩個距離450KM的望遠鏡來探測FRBs信號。

通過研究FRBs信號，我們將可以更好的研究這些星際間的冷物質。當然，FRBs信號的源頭也有可能是其它神奇的東西。如羅勃所言：「自然比人類更加異彩紛呈。」

來源 Nature 534, 610–612 (30 June 2016) doi:10.1038/534610a

作者：伊麗莎白·吉布尼

翻譯：李偉航 | 校譯：凌安

排版：邱煜欣 |配樂：解仁江

責任編輯：解仁江

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