銀河系外的神秘信號， 脈衝星、黑洞還是「星震」

如果有更多的快速射電暴被準確定位，它們的紅移能夠被準確測量，那麼結合快速射電暴的紅移和色散量信息，我們可以測量宇宙的重子數密度、限制宇宙學參數和暗能量狀態方程、限制宇宙再電離歷史、檢驗物理學基本原理，等等。

此外，快速射電暴物理起源的研究對我們了解緻密星物理、恆星形成與演化等具有重要價值。

■實習生 池涵 記者 李晨

隨著加拿大氫強度測繪實驗（CHIME）項目新發現的13個快速射電暴(包括一個重複射電暴)1月9日在《自然》雜誌上發表，快速射電暴（FRB）一躍成為「網紅」。然而，關於快速射電暴起源的解釋一時眾說紛紜，甚至有大眾科學愛好者將重複射電暴解讀為外星人。

日前，中科院紫金山天文台博士生張松波及其導師吳雪峰研究員以及澳大利亞合作團隊又從Parkes望遠鏡的歷史數據中挖掘出了新的快速射電暴事件。他們的成果以「快訊」形式發表在國際天文學期刊《皇家天文學會月報》上。

微波爐還是天文現象

快速射電暴剛被發現時可沒有這麼火爆。它第一次被發現是在2007年，現為美國西弗吉尼亞大學物理與天文學系教授的Duncan Lorimer與合作者在研究澳大利亞64米望遠鏡Parkes 2001年記錄的數據時，發現了一個時間非常短，但是能量很強的信號。

這個信號有多強呢？

吳雪峰說，相當於太陽在幾個月內輻射的能量在幾毫秒的時間內釋放出來。

同時，通過測量這個事件的色散量，Lorimer等人發現該事件可能來自銀河系外遙遠的宇宙深處。

什麼是色散量呢？國家天文台研究員、「天籟計劃」首席科學家陳學雷對《中國科學報》解釋道，我們通常認為是真空的宇宙里其實有稀薄的等離子體，當無線電波穿過等離子體時會發生一定程度的色散。一個天文事件距離我們越遙遠，無線電信號遭遇的等離子體中的自由電子數量一般也越多，因此我們觀察到它時測量出的色散就越大。而通過對Lorimer事件375 cm-3pc的色散量計算得出的距離遠在銀河系邊界以外。

當時，由於射電頻率的觀測非常容易受到人為因素干擾，科學家們對這個發現非常謹慎。2011年，曾有澳大利亞科學家研究了前一年發現的16個類似快速射電暴的信號，發現這些信號都是中午吃飯時間記錄的，而且都是大氣層內發出來的。吳雪峰告訴《中國科學報》，原來它們竟然是微波爐突然被拉開門時磁控管造成的！

微波爐：不關我事

鬧了這樣一出烏龍，很多人更加不相信快速射電暴了。Lorimer的妻子、同是美國西弗吉尼亞大學物理與天文學系教授的Maura Mclaughlin回憶，Lorimer曾在講座時被人面對面地公開挑戰：「咱們這有多少人信快速射電暴？舉個手！」

然而此後，一個又一個快速射電暴事件被世界各地的望遠鏡發現，特別是位於波多黎各的美國阿雷西博望遠鏡2012年觀測到的一處快速射電暴，在後來的三年間又重複出現了10次。這些信號不是微波爐發出來的，它們來自距地球30億光年的銀河系外。

直至2018年9月底CHIME望遠鏡通過觀測，在幾周內接連發現了13個快速射電暴，還觀察到一個新的重複信號，這才有了開頭關於快速射電暴的討論在朋友圈刷屏的一幕。此時公布的快速射電暴事件約80例，其中絕大多數可能來自銀河系外。

中科院紫金山天文台副研究員魏俊傑認為，全天空每天至少有幾百例甚至幾千例快速射電暴事件，與超新星爆發率相當。

人們終於認識到，快速射電暴不僅是自然發生的天文事件，而且具有重要的科學意義。

銀河系外的神秘信號

論文第一作者張松波介紹道，此次發現的事件是已發現的快速射電暴中脈衝寬度最長的一個（24.3±1.3 毫秒），第九個色散超過1000 cm-3pc的（1187±14 cm-3pc），並且與Lorimer發現的快速射電暴來自同一批Parkes數據，是利用優化的脈衝星搜索軟體包（PRESTO）和澳大利亞聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）的高性能計算集群，進行了更大色散範圍的數據挖掘得到的。

張松波告訴記者，目前尋找快速射電暴的方式主要有檔案庫數據搜索和望遠鏡實時監測兩種。現在搜尋快速射電暴的主力望遠鏡（如Parkes、ASKAP、 CHIME等）都已經配置了快速射電暴實時監控系統，一旦有比較明顯的快速射電暴類似信號觸發，研究人員將會迅速對此信號進行進一步的驗證。同時，對於觀測到的新數據和資料庫中的歷史數據，通過更好的射電干擾信號消除和更新更詳細的搜尋方式，也能夠尋找到新的快速射電暴信號。

魏俊傑告訴《中國科學報》，如果有更多的快速射電暴被準確定位，它們的紅移能夠被準確測量，那麼結合快速射電暴的紅移和色散量信息，我們可以測量宇宙的重子數密度、限制宇宙學參數和暗能量狀態方程、限制宇宙再電離歷史、檢驗物理學基本原理，等等。此外，快速射電暴物理起源的研究對我們了解緻密星物理、恆星形成與演化等具有重要價值。

脈衝星、黑洞還是「星震」？

對於快速射電暴的解釋，除了大眾此前廣為關注的可能是高等外星人向地球發射的信號以外，吳雪峰告訴記者，目前已經提出的快速射電暴的物理模型有二三十種之多。

據吳雪峰團隊博士生鄧燦敏介紹，總的來說快速射電暴的模型可以分為兩類：可重複暴發模型和非可重複暴發模型。

對於可重複暴發，最流行的模型是中子星的活動。例如重複快速射電暴有可能是年輕脈衝星的超級巨脈衝。快速射電暴信號與銀河系中的蟹狀星雲脈衝星的巨脈衝非常相似。不過目前的困難是快速射電暴的能量要比一般的巨脈衝高几個量級，但也不排除年輕的脈衝星可以產生足夠強大的超級巨脈衝。

重複快速射電暴也有可能是磁星(有超強磁場的中子星)的巨耀發產生。就像我們銀河系內的磁星那樣，磁星磁層的活動會導致磁能的快速釋放而產生耀發，耀發的能量要比快速射電暴的能量高几個量級，僅需要極少部分的能量轉化為射電輻射就可以產生快速射電暴。

此外，脈衝星和小行星的碰撞，以及靠近超大質量黑洞的脈衝星受到黑洞外流的襲擊，也在理論上被用以解釋快速射電暴。

而最主流的非重複快速射電暴模型是雙緻密星併合，包括白矮星、中子星和黑洞兩兩之間的併合。雙緻密星併合過程中磁層的相互作用、磁偶極輻射和電偶極輻射所釋放的能量有可能會轉化成射電輻射，都有可能產生一次性的快速射電暴。此外，緻密星的塌縮，例如白矮星塌縮成中子星，中子星塌縮成奇異星或者黑洞也有可能產生一次性的快速射電暴。

總的來說，在眾多模型中，雖然目前不確定哪個模型是正確的，但天文學家們大多相信快速射電暴應該是與緻密星密切相關的。

陳學雷認為，小而緻密的中子星很適合解釋小而強烈的快速射電暴。在最近的研究中，陳學雷也和研究生王維揚、北京大學天文學系教授徐仁新以及美國內華達大學拉斯維加斯分校物理和天文學院教授張冰的團隊一起提出了 「星震」模型。

他們發現，重複快速射電暴的強度分布規律類似於地球地震的規律，弱震很多、強震很少。而且，每一次的信號實際上是由若干個連接緊密的小信號組成的，這些小信號有頻率從高到低的「漂移」現象。陳學雷認為，這是脈衝星表面發生了類似於「板塊運動」的事件，釋放的高能粒子從脈衝星內部向外運動並聚集，最終以快速射電暴的形式釋放能量形成的。

瞄準FRB的「天眼」

陳學雷認為，在對快速射電暴的觀測中，我國需要解決「靈敏」和「視場」兩個問題。

首先，因為快速射電暴的閃爍時間很短，在毫秒級，因此觀測它的望遠鏡要實現更高的時間解析度並能夠記錄激增的大量數據。

在這方面，魏俊傑告訴記者，我國自主研製的「天眼」FAST是世界上最大的單口徑射電望遠鏡，其靈敏度比德國波恩100 米望遠鏡高約10倍，其綜合性能比美國的阿雷西博300米望遠鏡高約10倍，「天眼」將在未來20—30 年保持世界一流設備的地位。「天眼」能同時接收頻率在70MHz-3GHz之間的射電信號，完全有能力探測到快速射電暴信號。

此外，由於單天線望遠鏡存在視場小的問題，很多出現在其他位置的FRB事件就被錯過了，而裝備獨特接收機的望遠鏡陣列如澳大利亞SKA探路者（ASKAP）和加拿大的CHIME可以實現大視場。ASKAP採用「相控陣饋源（PAF）接收機」,可以使其每個天線相當於30 deg2視場；CHIME則配備「1024雙極化射電接收機」，能形成250 deg2的寬視場，在探測FRB方面被寄予厚望。

中國天眼 FAST

鄧燦敏向《中國科學報》介紹，目前FRB領域最期待解決的是快速射電暴宿主星系和電磁對應體的搜尋，即將重複暴和非重複暴宿主星系和對應體作直接對比，揭示它們是否有同一起源，這項研究可以揭示快速射電暴的形成環境和起源。目前ASKAP已經對一部分快速射電暴精確定位，CHIME由於其強大的探測能力，有望在一兩年內觀測到成千上萬個快速射電暴，其中必定有一部分是重複暴，由於其重複性，也有希望對其精確定位，不久將迎來重大突破。此外，由於CHIME預期會觀測到數量較大的快速射電暴，大樣本的統計、在宇宙學中的應用等研究也將會如火如荼地展開。

相關論文信息：DOI：10.1093/mnrasl/slz023

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