快速射電暴

劉聲遠(yuǎn)

探測(cè)快速射電暴（示意圖）。

現(xiàn)代射電天文學(xué)的最大奧秘——快速射電暴依然無解。正如其名，快速射電暴的無線電波只持續(xù)一兩秒，但卻很強(qiáng)大——它們位列天空中最亮的電波源頭，盡管穿行距離可能長達(dá)數(shù)十億光年，它們卻依然很明亮?？茖W(xué)家的最新估算結(jié)果是，一次快速射電暴產(chǎn)生的能量比太陽在一整天里產(chǎn)生的還多。

可見光只構(gòu)成電磁光譜的一部分。如果你能看見無線電波，就全天都可能在天空中看見快速射電暴：它們來自各個(gè)方向，每天都有成千上萬次。雖然快速射電暴如此常見，但直到大約20年前它們卻仍未被探測(cè)到哪怕一次。如今，科學(xué)家依然不清楚快速射電暴究竟是什么，但由于技術(shù)進(jìn)步和一些幸運(yùn)的突破，他們終于開始窺探這種宇宙神秘信號(hào)的端倪。

澳大利亞帕克斯天文臺(tái)。

天穹爆發(fā)

快速射電暴并不是被人刻意尋找而發(fā)現(xiàn)的。事實(shí)上，快速射電暴的第一次發(fā)現(xiàn)幾乎是因?yàn)?007年的一場(chǎng)意外。當(dāng)時(shí)，本科生納科維奇在為美國射電天文學(xué)家羅瑞莫工作期間的主要任務(wù)是調(diào)查探測(cè)檔案數(shù)據(jù)，以及尋找死亡恒星。當(dāng)足夠大的恒星以烈焰超新星的方式死亡時(shí)，它們會(huì)留下遺骸——完全由中子組成的核（即中子星）。中子星每秒自旋多次并發(fā)射輻射柱，掠過地球的輻射柱看上去就像脈沖，也就是說，中子星就像在遠(yuǎn)處閃光的宇宙燈塔，因此中子星也有脈沖星之稱。納科維奇的尋找對(duì)象正是脈沖星。他梳理澳大利亞帕克斯天文臺(tái)的多次觀測(cè)數(shù)據(jù)，由此尋找從近距離環(huán)繞銀河系的兩個(gè)衛(wèi)星星系——大麥哲倫云和小麥哲倫云（合稱麥哲倫云）發(fā)射的脈沖。

一個(gè)寒冷冬日，表征一種奇異射電暴、而非一顆中子星的檔案數(shù)據(jù)引起了納科維奇的注意，他立即向羅瑞莫報(bào)告說他認(rèn)為自己發(fā)現(xiàn)了神秘的東西——一種單一的明亮脈沖，并且它看來并非來自麥哲倫云，而是來自很遠(yuǎn)的一個(gè)深空區(qū)域。對(duì)納科維奇這一發(fā)現(xiàn)，就連羅瑞莫也感到驚奇，不知道該怎樣理解它，但他知道這是自己從未見過的東西。2007年底，羅瑞莫公布了這一發(fā)現(xiàn)，并將這種脈沖稱為快速射電暴。

一開始，其他科學(xué)家也不知道快速射電暴是什么玩意兒。不少科學(xué)家對(duì)所謂的“快速射電暴”持懷疑態(tài)度，猜測(cè)它們是來自于閃電和微波爐這樣的平凡信號(hào)源。就連羅瑞莫的夫人（她也是一位射電天文學(xué)家）也認(rèn)為，快速射電暴并非是一種真實(shí)的存在。

但致力于尋找快速射電暴的科學(xué)家們并不打算就此罷休。他們的理由是：快速射電暴的信號(hào)很短暫，天空卻很大，而像帕克斯天文臺(tái)（其實(shí)質(zhì)是射電望遠(yuǎn)鏡）這樣的許多射電望遠(yuǎn)鏡每次只能觀測(cè)天空的很小一個(gè)區(qū)域，那么怎么能肯定快速射電暴不存在？就算科學(xué)家曾經(jīng)在天空中探測(cè)到的不少信號(hào)最終被證實(shí)不為真，也不能證明快速射電暴是假的。最終，來自全球各地射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到并且經(jīng)過確認(rèn)的快速射電暴信號(hào)讓懷疑者消除了懷疑。迄今為止科學(xué)家已探測(cè)到至少52次快速射電暴，他們最終確信自己手頭真的又有了一種全新的無線電波（也稱射電波）信號(hào)。然而，他們對(duì)這些信號(hào)本身幾乎一無所知。

強(qiáng)弱之爭(zhēng)

雖然科學(xué)家對(duì)快速射電暴所知甚少，但他們已經(jīng)知道每一次快速射電暴都來自遙遠(yuǎn)深空。那么，快速射電暴能告訴我們什么？答案就隱藏在快速射電暴的信號(hào)內(nèi)部。自然發(fā)生的大多數(shù)射電信號(hào)是寬頻的，即頻率范圍寬，而不像你家附近的調(diào)頻無線電臺(tái)那樣只有一個(gè)特定頻率。在地球上我們采用窄帶信號(hào)讓我們共享的可得頻譜最大化，而大自然并無這樣的條件。仔細(xì)觀測(cè)任何天文射電信號(hào)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)低頻信號(hào)的到達(dá)會(huì)稍晚于高頻信號(hào)，原因是：雖然太空是比地球上任何真空都更好的真空，但太空的真空條件也不完美，而是到處都有雜散粒子。這些粒子與射電信號(hào)相互作用，從而拖慢較弱的低頻信號(hào)，但更強(qiáng)的高頻信號(hào)不太受雜散粒子糾纏，而是與這些粒子擦肩而過。信號(hào)穿行距離越遠(yuǎn)，低頻信號(hào)的遲延通常也越明顯。科學(xué)家稱這種信號(hào)遲延為分散性測(cè)度。

如果射電信號(hào)來自于地球所在的銀河系本身，那么分散性測(cè)度可能為30左右。而來自于麥哲倫云的信號(hào)分散性測(cè)度超過200。最早探查到的快速射電暴（在羅瑞莫宣布其發(fā)現(xiàn)之前的檔案數(shù)據(jù)中揭示）的分散性測(cè)度為790，這意味著它來自于幾十億光年外。如此遙遠(yuǎn)的距離，向科學(xué)家說明了快速射電暴的源頭：為了在非常遙遠(yuǎn)的地方能見到一個(gè)極度明亮的短暫信號(hào)，無疑需要一個(gè)極其強(qiáng)大的信號(hào)源。問題是，迄今為止沒有任何科學(xué)家敢肯定這種信號(hào)源是什么，因?yàn)槿魏我阎Ｐ投疾荒芎芎玫亟忉屵@個(gè)問題。

重復(fù)信號(hào)

在解讀快速射電暴方面的第一個(gè)主要突破，源自快速射電暴121102的發(fā)現(xiàn)?？焖偕潆姳┑拿歉鶕?jù)其發(fā)現(xiàn)日期，因此快速射電暴121102的發(fā)現(xiàn)是在2012年11月2日。這一射電暴之所以鶴立雞群，是因?yàn)殚L時(shí)間觀測(cè)已證實(shí)其他所有已知的快速射電暴都只暴發(fā)一次，而它卻暴發(fā)了多次。它有時(shí)會(huì)相隔幾星期或幾個(gè)月才暴發(fā)，但有時(shí)卻會(huì)在一天內(nèi)暴發(fā)多次。

重復(fù)性快速射電暴的一個(gè)發(fā)源地。

正是這種重復(fù)的雜亂信號(hào)，讓有耐心的科學(xué)家對(duì)這種快速射電暴的了解多于對(duì)任何其他快速射電暴的了解。科學(xué)家通常知道在天空中什么區(qū)域?qū)ふ抑貜?fù)的快速射電暴，這讓他們能精確定位重復(fù)性快速射電暴的源頭坐標(biāo)，因?yàn)橛羞@樣的精確度，所以科學(xué)家就能運(yùn)用雙子座天文臺(tái)（位于美國夏威夷）和哈勃空間望遠(yuǎn)鏡追蹤重復(fù)性快速射電暴的源頭。

這些追蹤性觀測(cè)發(fā)現(xiàn)快速射電暴121102的故鄉(xiāng)是位于30億光年外的一個(gè)難以名狀的矮星系，這個(gè)矮星系的大小與大麥哲倫云相仿，比銀河系大10%。僅僅這一點(diǎn)就夠奇怪了：科學(xué)家預(yù)計(jì)像快速射電暴之類的天文現(xiàn)象應(yīng)該源自活躍的大星系（星系中心有超大質(zhì)量黑洞）或活躍的恒星形成區(qū)域，而不會(huì)源自像矮星系這樣的宇宙“小個(gè)頭”。

2018年，科學(xué)家把目光指向更遠(yuǎn)的深空。通過仔細(xì)分析快速射電暴121102射電波巨大的快速扭轉(zhuǎn)（即信號(hào)偏振），他們得知它的故鄉(xiāng)環(huán)境不同尋常。科學(xué)家推測(cè)，重復(fù)性快速射電暴的發(fā)生與中子星有關(guān)，發(fā)生環(huán)境非常極端。重復(fù)性快速射電暴信號(hào)可能源自一類特殊的中子星——磁星。磁星的磁場(chǎng)非常強(qiáng)大——通過壓縮你身體原子內(nèi)部的電子云，磁星在上萬千米外就能殺死你。如果磁星的超強(qiáng)信號(hào)被超大質(zhì)量黑洞附近區(qū)域的極端環(huán)境扭曲，或出現(xiàn)類似情況，就能很好地解釋快速射電暴的強(qiáng)烈偏振。當(dāng)然，重復(fù)性快速射電暴的形成機(jī)制可能并非如此?？偠灾貜?fù)性快速射電暴是一個(gè)另類，快速射電暴很難以一言概括。

加拿大氫強(qiáng)度繪圖實(shí)驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡。

數(shù)據(jù)涌現(xiàn)

發(fā)現(xiàn)更多的快速射電暴是當(dāng)務(wù)之急，科學(xué)家之所以還不能確定快速射電暴的來源，是因?yàn)樾畔⒉粔?。美國女天文學(xué)家艾米莉發(fā)現(xiàn)了第一批快速射電暴中的一部分，當(dāng)時(shí)大多數(shù)同行仍不確定快速射電暴是否真實(shí)存在。通過對(duì)觀測(cè)信號(hào)的首次綜合分類，艾米莉幫助建立了快速射電暴這一學(xué)科領(lǐng)域。她相信，為了破解快速射電暴起源之謎，必須發(fā)現(xiàn)幾百次快速射電暴，從中尋找相對(duì)統(tǒng)一的模式和特例。艾米莉還說，眼下情況是：被觀測(cè)到的每一次快速射電暴都只是一片獨(dú)特的“雪花”，各有其特殊性，而科學(xué)家需要的是“漫天大雪”。

隨著位于加拿大的一部射電望遠(yuǎn)鏡——“氫強(qiáng)度繪圖實(shí)驗(yàn)”望遠(yuǎn)鏡變身為快速射電暴追蹤器，“第一場(chǎng)雪”已落下。顧名思義，該望遠(yuǎn)鏡的主要目標(biāo)正是繪制星系中的氫云圖。因?yàn)椤皻鋸?qiáng)度繪圖實(shí)驗(yàn)”每次都能觀測(cè)天空中大片區(qū)域，所以快速射電暴應(yīng)該在它觀測(cè)、繪圖期間冒出來，此外，隨著天空中一個(gè)固定區(qū)域每次飄過其上空，靜止的“氫強(qiáng)度繪圖實(shí)驗(yàn)”都會(huì)觀測(cè)它，因此用該望遠(yuǎn)鏡尋找重復(fù)性快速射電暴也就理所當(dāng)然。如果“氫強(qiáng)度繪圖實(shí)驗(yàn)”的視野中出現(xiàn)一次快速射電暴，那么該望遠(yuǎn)鏡會(huì)每天自動(dòng)監(jiān)測(cè)它，由此尋找新的暴發(fā)。2018年7月，“氫強(qiáng)度繪圖實(shí)驗(yàn)”團(tuán)隊(duì)第一次發(fā)現(xiàn)一場(chǎng)快速射電暴。該望遠(yuǎn)鏡可能會(huì)發(fā)現(xiàn)更多的重復(fù)性快速射電暴，前提是這樣的射電暴的確存在。

定位一次非重復(fù)性快速射電暴（示意圖）。

光芒閃爍

探測(cè)數(shù)據(jù)不僅“雪花紛飛”，而且?guī)硪恍@奇。2018年10月，在澳大利亞平方千米陣列探路者射電望遠(yuǎn)鏡工作的科學(xué)家宣布發(fā)現(xiàn)了20次快速射電暴，這使得到當(dāng)時(shí)為止已知的快速射電暴數(shù)量幾乎翻倍，這也是在快速射電暴探索故事中的最近一個(gè)大轉(zhuǎn)折。在這項(xiàng)觀測(cè)中，科學(xué)家仔細(xì)選定全天空的50個(gè)區(qū)域，分別進(jìn)行幾百小時(shí)連續(xù)觀測(cè)，試圖發(fā)現(xiàn)重復(fù)性快速射電暴，雖然最終就連一個(gè)這樣的射電暴都未找到，但這項(xiàng)觀測(cè)的意義依然不言而喻。

平方千米陣列探路者團(tuán)隊(duì)把自己發(fā)現(xiàn)的快速射電暴與帕克斯天文臺(tái)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的快速射電暴進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的關(guān)聯(lián)：平方千米陣列探路者團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的快速射電暴更明亮，分散性測(cè)度更低，也就意味著它們的源頭更近。這說得通：在一個(gè)大霧迷蒙之夜閃光燈離你越近則看起來越亮。通過測(cè)量相對(duì)亮度，甚至可以確定閃光燈離你有多遠(yuǎn)。平方千米陣列探路者團(tuán)隊(duì)所獲探測(cè)數(shù)據(jù)表明，快速射電暴遵循同樣的模式。

澳大利亞平方千米陣列探路者望遠(yuǎn)鏡陣列。

想象一下這種情況：如果你知道一只閃光燈的確切位置并看見這只閃光燈，但它看上去卻暗了許多，如果其他條件不變，那么你很可能會(huì)認(rèn)為自己看到的并不是自己知道的那只閃光燈，而是另一只。重復(fù)性快速射電暴121102就是這第二只閃光燈：雖然所有非重復(fù)性快速射電暴看來都遵循平方千米陣列探路者團(tuán)隊(duì)確立的分散性測(cè)度與亮度之間模式，但快速射電暴121102看上去卻比它在預(yù)計(jì)分散性測(cè)度下的亮度低得多。這讓許多科學(xué)家很困惑。是否一次性和重復(fù)性快速射電暴的產(chǎn)生機(jī)制不同？也就是說，快速射電暴是否也分不同版本？這一點(diǎn)目前尚無一致性意見。不過，科學(xué)家把自己的發(fā)現(xiàn)一分為二的情況之前就有過（請(qǐng)參見相關(guān)鏈接：《一變二》）。

神秘信使

探測(cè)數(shù)據(jù)讓科學(xué)家對(duì)快速射電暴有了一個(gè)個(gè)新的了解，但也帶來了一連串新問題：快速射電暴是否都是重復(fù)性的，只不過現(xiàn)在被判定為一次性的快速射電暴的重復(fù)周期太長，而被誤認(rèn)為是一次性的？一次性和重復(fù)性快速射電暴是否是本質(zhì)不同的現(xiàn)象？羅瑞莫在評(píng)論最近一系列快速射電暴的發(fā)現(xiàn)時(shí)指出，有關(guān)快速射電暴的理論數(shù)量比已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的快速射電暴數(shù)量還多。

有科學(xué)家認(rèn)為，這種現(xiàn)象并不奇怪，因?yàn)槲粗目赡苄詫?shí)在太多，其中包括目前科學(xué)家根本沒有想象到的可能，也許年輕的中子星比科學(xué)家預(yù)計(jì)的更充滿能量;或者，快速射電暴涉及科學(xué)家尚不了解的物理學(xué)知識(shí);再或者，快速射電暴所需的條件如此罕見，以至于銀河系及其附近環(huán)境中缺乏這些條件，因而不能產(chǎn)生快速射電暴。有關(guān)非凡現(xiàn)象的非凡理論需要非凡的證據(jù)，快速射電暴正是這樣一個(gè)非凡現(xiàn)象。

更好的情況是，不管是什么原因引起了快速射電暴，它們的信號(hào)都可能有助于科學(xué)家破解有關(guān)宇宙的奧秘，畢竟這些信號(hào)穿行了非常遙遠(yuǎn)的距離。新研究表明，研究快速射電暴的分散性測(cè)度，有可能成為了解星系之間稀疏物質(zhì)和未知地帶的新途徑?？茖W(xué)家甚至可能將探測(cè)到在那些遙遠(yuǎn)地帶存在的磁場(chǎng)，而目前科學(xué)家對(duì)這一現(xiàn)象幾乎一無所知。

盡管有這么多懸而未決的問題，卻至少有一點(diǎn)已很清楚：快速射電暴天文學(xué)時(shí)代已到來。

人工智能已開始參與探測(cè)外太空神秘信號(hào)，包括快速射電暴（示意圖）。

相關(guān)鏈接：一變二

科學(xué)家有可能最終會(huì)發(fā)現(xiàn)不同版本的快速射電暴，即不同機(jī)制引起的不同類型的快速射電暴。之所以這樣說，是因?yàn)檫@在天文學(xué)中有先例。

1973年，美國軍方解密了伽馬射線暴的存在。20世紀(jì)60年代，旨在探測(cè)核武器試驗(yàn)所產(chǎn)生伽馬射線的美國軍事衛(wèi)星首次探查到了伽馬射線暴。到1994年，至少已有118個(gè)伽馬射線暴模型發(fā)表。隨著每一次新發(fā)現(xiàn)伽馬射線暴，這些模型中的一部分都被排除。

科學(xué)家后來發(fā)現(xiàn)，伽馬射線暴實(shí)際上有兩種主要類型（此外還有一些罕有類型）：在探測(cè)到的伽馬射線暴中，大約9%屬于在大質(zhì)量恒星坍縮成超新星時(shí)出現(xiàn)的“長暴”，其余大多數(shù)則為“短暴”。短暴的起源與兩顆中子星的合并有關(guān)，這在2017年已被證實(shí)。

與此類似，超新星也有不同起源。當(dāng)一顆超大恒星的燃料燒盡時(shí)，恒星在巨大爆發(fā)中死亡，留下一顆中子星或黑洞“遺體”。這樣形成的超新星最常見，但也有少數(shù)超新星如此形成：常規(guī)質(zhì)量恒星死亡留下的發(fā)光灰燼形成白矮星，白矮星重新點(diǎn)燃、撕裂形成超新星。科學(xué)家相信，這樣的超新星是在白矮星從相伴恒星虹吸質(zhì)量或與另一顆白矮星合并（或兩者都有）的情況下形成的。但迄今為止，究竟什么機(jī)制形成什么類型的超新星依然不清楚。

伽馬射線暴（想象圖）。