宇宙里的鞭炮

原文标题：Cosmic firecrackers -- The mystery of fast radio bursts作者：Yvette Cendes 原文来自：Astronomy   Posted：2018年2月刊编译：京晶   审校：数星星的猫 （编译版权所有，未经许可请勿转载）

　　在一颗强磁星的表面发生了一次能量强劲的爆发事件。这类天体的大气层和壳层被磁场连接起来。快速的能量释放使壳层破裂，导致了一场星震，甚至还有可能在射电波段出现一次能量大爆发——快速射电暴。（图片来源：DON DIXON）
　　Duncan Lorimer说他永远不会忘记2007年，自己第一次遇见意外事件的那一天。这位西弗吉尼亚大学的天文学家给本科生David Narkovic布置了一项任务，让他梳理澳大利亚帕克斯天文台的脉冲星巡天观测数据。有一天，Narkovic走进Lorimer的办公室，给他看一个非同寻常的信号。那个信号与以前见过或者预言过的所有信号都不同。它是天空中最明亮的一个源，只持续了几毫秒时间，而且有迹象表明它来自于银河系外。Lorimer回忆说：“我当时惊呆了，坦白说，我不知道它是什么。”
　　就这样，Lorimer发现了第一个快速射电暴（简称FRB）。在那一年的晚些时候，他把这个发现公之于众。起初，天文学界的其他人也不知道它是怎么产生的。当然，有不少人提出这样的信号可能是某种人为干扰或者类似闪电这样的现象产生的。甚至有研究者用帕克斯当地的一台微波炉制造出了与Lorimer发现的FRB相似的人造信号。Lorimer回忆说：“甚至连我的妻子（射电天文学家Maura McLaughlin）也在一篇学术论文里说这个FRB不是真正的天文信号。”

　　澳大利亚新南威尔士州帕克斯天文台的64米口径射电望远镜。它发现了有记录以来的
　　第一颗快速射电暴FRB 010724。不仅如此，目前已知的30多颗快速射电暴大多也是它发现的。（图片来源：CSIRO/DAVID MCCLENAGHAN）
　　但随着时光推移，其他天文学家也发现了FRB。第一个FRB是帕克斯天文台的望远镜发现的，后来世界各地的射电望远镜都发现了FRB。FRB实际上来自于太空的证据逐渐积累起来。科学家们意识到FRB不仅真实无疑，还有可能是几十年来最重大的天文学新发现之一，激动、兴奋取代了质疑。
　　自第一个FRB被发现以来，已经过去了十个年头。它引起了许多讨论，以至于几十名天文学家在2017年举行了第一届FRB学术会议，并且已投入数百万美元的经费用于寻找更多的FRB。不过，随着越来越多的FRB被发现，它们的身世之谜反而有增无减。FRB必须携带极大的能量（在几毫秒里产生的能量比太阳在一天内释放的能量还要多）才能穿越星系际空间。除了这么巨大的能量，它们的源头也是一个谜。
　　我们掌握的全部信息
　　截至目前，我们已经发现了33个FRB，其持续时间至多只有几毫秒。我们知道，在那么短的时间里，它们是天空中最明亮的射电源之一，而且来自于四面八方，没有特定方向。在基于现有的这一小批样本下结论时，天文学家们十分谨慎小心。
　　现在，我们知道FRB来自于银河系外。这个距离信息是利用一项射电天文技术获得的。由于太空并不是真正的真空（虽然比地球上的任一真空环境都要好），即使在星系之间看似空无一物的区域，在每立方米的空间里也有几个氢原子。天体发出的射电波在太空中传播时，会与途经的原子里的电子发生作用，导致射电波出现微小延迟（延迟程度与射电波的频率有关）。通过测量延迟值（弥散测量，简称DM），我们就能知道信号走了多远。DM值越大，说明信号走过的距离越长。FRB的DM值清楚地表明它们的源头远在银河系外。
　　不过从那开始，事情就变得越发古怪起来。截止目前，只有一个FRB信号重复出现过，虽然是相隔许多小时之后才出现的。这个特例就是FRB 121102，天文学家把它叫做“重复者”。波多黎各的阿雷西沃（Arecibo）天文台在2012年11月2日最先探测到它（因此得名FRB 121102）。自那以后，天文学家观测到了多个平静期——一连数月没有任何信号，还有多个爆发期——在两小时内发生了20多次爆发，而且爆发模式不一而同。“重复者”是一种与众不同的FRB，还是所有的FRB都会重复发生？没有人能够回答。阿雷西沃天文台的305米口径射电圆盘是唯一一架灵敏度足够高、能够轻而易举发现重复爆发的FRB的射电望远镜。

　　位于波多黎各的阿雷西沃天文台拥有世界上第二大射电望远镜，口径达305米。2012年，阿雷西沃望远镜成为了
　　除帕克斯射电望远镜之外首个探测到FRB（FRB 121102，又被称做“重复者”）的望远镜。（图片来源：NAIC-ARECIBO OBSERVATORY，A FACILITY OF THE NSF）
　　“重复者”至关重要，它为定位FRB的源头提供了第一批线索。可见光的波长范围是400纳米（紫外辐射）至700纳米（红色光）；（1纳米等于1米的10亿分之一）。而射电波的波长范围则从几毫米一直延伸到几百米。
　　这对天文学家使用的望远镜有重要的应用价值，因为望远镜的角分辨率——即望远镜能够看到的细致程度——取决于观测波段的波长和望远镜的口径。用1米口径的光学望远镜观测，其镜面直径是可见光波长的200万倍，因此，望远镜的分辨率是0.3角秒（1度的一万二千分之一）。而镜面直径为64米的射电望远镜（例如发现大部分FRB的帕克斯天文台射电望远镜），其角分辨率就是900角秒（0.25度，约等于满月直径的一半大）。这个分辨率看似不低，却已经能把几百、甚至几千颗遥远的辐射源混在一起分辨不开了。正因如此，像帕克斯或者阿雷西沃这样的单面射电望远镜无法确认FRB的源头所在。
　　幸运的是，天文学家有一些办法可以解决分辨率问题。他们可以使用干涉技术把多架射电望远镜连接到一起。多架望远镜同时观测，其效果等同于一架大口径单面射电望远镜的观测效果，这些望远镜的间距就等于有效镜面的直径。
　　望远镜即使只相隔几千英里，也能用干涉技术把分辨率降低至1度的千万分之一。用这样小的视场搜寻新天体可不是一个好主意——如果在距离视场不到0.5度远处出现FRB，就会在不知不觉中从我们眼皮子底下溜走了，但用这项技术盯住单个天体（如FRB重复者）再合适不过。
　　新墨西哥州的央斯基甚大阵就是这样的干涉仪。它由27面25米口径的碟形天线构成。2016年秋，天文学家用它探测到“重复者”又发生了好几次爆发。这些观测让他们缩小了它的源头范围，并用其它望远镜对该区域进行了细致的射电拍摄，还用夏威夷的双子望远镜拍摄了光学图像，以便证认“重复者”的源头。

　　美国新墨西哥州的央斯基甚大阵在证认FRB 121102的宿主星系中起到了关键作用。在半年多时间里，
　　它对这个射电暴进行了83小时的观测，记录下9次爆发。通过缩小FRB的源头所在地范围，天文学家可以找出其光学对应体——宿主星系。（图片来源：CGP GREY(WWW.CGPGREY.COM)）
　　研究团组获得了一个惊人发现。“重复者”好像是从一个距离我们30亿光年远的矮星系里发出来的。这个星系与小麦哲伦云（银河系的卫星星系，质量只有银河系质量的百分之一）大小差不多，要不是反复发出大量射电辐射，它看上去挺索然无味的。天文学家用哈勃空间望远镜和斯必泽空间望远镜进行跟踪观测，发现爆发似乎是从这个星系外围的一个恒星形成区发出来的。这是目前知道的最具体的信息了，那个位置仍在不断发生爆发——根据最新计数结果，爆发次数已经超过150次了。

　　FRB 121102来自于御夫座里一个距离我们30亿光年远的不起眼的矮星系。上图是夏威夷的双子（北）望远镜为它拍摄的光学图像。虽然这张图像没有显示太多有关星系的细节信息，但射电观测让一些人相信FRB可能是一个超大质量黑洞或者一颗年轻的中子星产生的。（图片来源：GEMINI OBERVATORY/AURA/NRC/NSF/NRAO）
　　仍是未解之谜
　　我们对FRB还不十分了解。它们大多数都很明亮，我们却不知道它们的成因。Lorimer是第一届FRB学术会议的组织者。他注意到会上出现了几十种FRB理论。“理论的数目比FRB还多。”他说。
　　对于“重复者”，至少有一种流行理论认为它是磁星产生的。磁星是磁场极强的中子星。即使你离它1千公里远，它那强大的磁场也能挤压构成你身体的每一个原子里的电子，让你一命呜呼。磁星还会喷发出大量高能辐射暴。2004年，一个名为SGR 1806-20的磁星经历了一次星震（壳层发生微小移动）。这场震动猛烈摇晃磁场，剧烈程度被定为里氏23级。（与之相比，2004年节礼日（Boxing Day）里氏9.1级的地震引发了印度尼西亚海啸。）虽然SGR 1806-20远在5万光年之外，这次震动还是引发了一次持续0.2秒的、比满月还要明亮的爆发。这次爆发轰击了研究和通讯卫星，使其出现短暂失联，而且还改变了地球高空大气的形状。爆发释放的能量足够太阳使用15万年。如果这颗磁星离我们再近一点，就会造成数十亿美元的损失了。

　　磁星是拥有强磁场的年轻中子星。它们的磁场强度比地球磁场的强度高出千万亿倍，也比普通中子星的磁场高出千倍以上。科学家认为它有规律地发射可见光和伽马射线（软伽马射线重复者）。（图片来源：ESO/L. CALCADA）
　　有些天文学家提出遥远星系里类似的磁星爆发也可以产生FRB。不过，磁星理论自身也存在问题。其中一个问题就出自SGR 1806-20。在那次爆发发生时，帕克斯天文台碰巧正在观测与之相对的另一侧天空。如果FRB来自于银河系内，它会非常明亮，无论望远镜指向哪里都能看到。但望远镜却没发现任何不寻常的事。

　　SGR 1806-20是银河系里的一颗磁星。2004年12月，它的壳层在星震中晃动，产生了一次爆发。这次星震发出的伽马射线能量惊人，短暂地照亮了地球的高空大气。虽然SGR 1806-20的爆发没有产生FRB，但理论认为银河系外的磁星产生的与此类似的爆发可能是FRB的源头之一。（图片来源：UNIVERSITY OF HAWAII）
　　另一个流行理论认为FRB可能来自于年轻的中子星（诞生才不过几年时间）。当恒星在猛烈的超新星爆发中走向死亡，会在超新星中心形成一颗中子星。中子星的密度相当于在一个直径为16公里的球里塞进两个太阳。脉冲星就是一种能发出射电束的中子星。当它快速自转（每秒转一千次）时，从地球看过去，它会有规律地闪烁。
　　超新星爆发并不常见。像银河系这样的星系平均每一百年才发生一次超新星爆发。自望远镜问世以来，人类连一次银河系内的超新星爆发都还没见到过。不过，天空中最明亮的射电源之一——蟹状星云脉冲星能发出只持续不到1纳秒（十亿分之一秒）的随机脉冲，瞬间就比正常脉冲高出几千倍。我们偶然间知道了它的年龄：它是在公元1054年的一次超新星爆发中产生的。当时，中国的天文学家把这场爆发记录下来，称之为“客星”，其光芒即使在白天也可看到。FRB有没有可能是更年轻的脉冲星（年龄只有几十年）产生的巨大脉冲信号？没人知道。

　　包裹着蟹状星云脉冲星的蟹状星云是在公元1054年的一次超新星爆发中形成的。除了发出规律的脉冲信号，这颗脉冲星有时也会发出纳秒级别的爆发信号。如果更年轻的中子星能够产生比蟹状星云脉冲星更强、更短的爆发，就有可能产生我们看到的FRB。（图片来源：ESO）
　　有些天文学家甚至推测FRB可能是宇宙中的其它智能生命发出来的。“应不应该把它当做首选解释？不，”加州理工学院的Joe Lazio强调说，“但我认为我们可以这样说，根据我们人类文明的能力，我们无法排除这种可能性。”Lazio认为FRB仍有可能会被证明是遥远星系里的外星物种所建造的雷达系统发出来，而被我们恰巧接收到的信号。
　　也许这听上去有些牵强，但Lazio拿阿雷西沃天文台做例子，说它兼饰两角，还充当着世界上最强劲的雷达发射器。它经常向小天体和其它太阳系天体发射雷达波，然后接收回波来对它们进行测绘。可以想象，阿雷西沃的雷达信号也有可能在某一短暂时刻被测绘天体后面的恒星探测到。甚至连我们自己的射电天线也能接收距离地球几光年范围内的、与阿雷西沃发出的那种信号类似的信号。所以，基于我们目前的探测能力，又有谁能排除我们偶然接收到复杂的外星雷达系统发出的信号的可能性呢。
　　最后要说的是，FRB的源头可能不只一个。伽马射线暴（简称GRB）就是这样的例子。在20世纪60年代，原本探测核武器试验发出的伽马射线的美国军事卫星最先探测到了GRB；1973年，太空中有GRB的消息被公开。到1994年，已出现了至少128个GRB模型，其中有不少模型因为与新发现不符而很快就被抛弃了。尽管如此，提出这么多模型的做法还是有些草率，因为科学家们后来发现GRB主要分为两大类（还有一些更罕见的类别）。约有70%的GRB被称作长暴，是在超大质量恒星临近死亡时发生超新星爆发、形成黑洞的过程中产生的。另一大类是短暴，是两颗中子星并合时产生的。2017年10月，此类信号被引力波探测器LIGO及后续的望远镜观测证实。
　　由GRB研究得到的教训是单一机制无法解释所有GRB的形成过程。因此，许多天文学家认为对所有FRB起源相同的假定应该保持谨慎。

　　第一个得到证认的FRB——FRB 010724只持续了5毫秒。帕克斯射电望远镜的13波束接收机观测到它，7号波束接收器记录下其流量随时间的变化。它出现在2001年的观测数据中，却直到2007年才被人发现并公之于众。（图片来源：DUNCAN LORIMER）
　　力争找到解答
　　许多天文学家清楚，只有找到更多FRB才能解开其身世之谜。荷兰射电天文研究所的美籍天文学家Emily Petroff解释说：“我们现在找到的每一个FRB就像一片雪花，它们展现出的个体特性和细节令我们赞叹不已。”Petroff已经发现了好几个FRB，还编制了迄今为止首个FRB表。她说：“将来，我们想要建立一个FRB雪堆，有许许多多的FRB可供研究，你根本无需再关心单一个体。”
　　许多研究团队都有兴趣为建立FRB雪堆出一份力，用不断发展的新仪器和望远镜展开搜寻。其中一个出类拔萃的项目是加拿大的氢强度测绘实验（Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment，简称CHIME）。根据预测，它每天能发现好几十个FRB信号。如其名所示，CHIME一开始并不是专为探测FRB而设计的。精确测绘遥远星系内氢的分布情况，借此了解宇宙的膨胀历史和加速膨胀过程才是它的主要科学目标。不过，它的视场非常适合搜寻FRB，所以，当麦吉尔大学（McGill University）的Victoria Kaspi听到发现第一批FRB的消息后，她也申请经费来寻找FRB。“我最初想研究脉冲星，”Kaspi坦承，“但很快就发现用CHIME来寻找FRB再理想不过。”
　　自第一个FRB被发现已经过去了10年，Lorimer对未来非常乐观。他预计到2020年，科学家将用CHIME找到头一百个FRB。然后，到2025年，随着世界各地更多的射电望远镜加入到搜寻队伍里来，科学家们将会找到几千个FRB。他甚至还推测等到2030年，FRB将成为研究宇宙的重要工具。这些信号经过长途跋涉来到我们面前，我们可以利用这一点去探索遥远的宇宙。
　　当前，我们正处在FRB时代的黎明时分。我们现在要做的就是拭目以待，看看这些新的宇宙谜团能带给我们什么新信息。