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环球科学 2021-12-04

快速射电暴之谜的最后攻坚战

磁陀星的艺术印象图。磁陀星是具有极端强磁场的中子星。磁陀星是快速射电暴众多可能的来源之一。(图片来源:ESO/L. Calçada)

发现约二十年后,笼罩在快速射电暴上的迷雾逐渐散去,数不清的科学进展随之而来。

撰文 | Adam Mann

翻译 | 王昱

2001 年,没人注意到一波爆炸的余晖浩浩荡荡的从银河系外向澳大利亚射电望远镜(Australian radio telescope)奔袭而来,并被其捕获。这场射电暴发在几毫秒的时间内就释放了太阳一整天辐射出的能量,但直到 6 年之后,它才被一组筛查先前观测数据的科学家注意到,并被命名为快速射电暴(fast radio burst,简称 FRB)。

FRB 从此名声大噪。研究人员发现每 24 小时,全天各个方向共会随机发生 800 多次 FRB,但其起因始终是个谜。作为天体物理学中最引人注目的一个课题,FRB 最近涌现了一系列开创性的、有时甚至是不一致的发现,重塑了该领域在文献中的形象。尽管整体仍然令人难以捉摸,但就在过去的一年里,这一神秘现象更清晰的图像已经逐渐浮现。

" 我认为我们距离理解什么是快速射电暴更近了一步," 多伦多大学的天体物理学家 Ziggy Pleunis 说," 但当我们追寻问题的答案时,新的发现又引出了新的问题。"

很多天文学家感到,现在和 FRB 相关的话题正处在转折点上,其中最重要的谜题正在被揭开。对 FRB 一系列最新的观测和深层次的研究部分验证了一些模型,同时排除了其他的可能,即将到来的研究很可能进一步缩窄可能的范围。就算这样的重大突破不能完全解开这个谜题,那也是相当重要的成果。FRB 并不仅仅是满足科学家的好奇心:这些明亮的光线在宇宙中穿梭时,也记录下了很多宇宙本身的信息。这些瞬间的宇宙烟火在似乎在宇宙的各个方向都会发生,是唯一能让我们了解星系间宇宙介质的方式

磁力时刻

对追寻 FRB 的人而言,最近的巨大变革不可不谓之惊喜。2020 年 4 月,3 个相互独立的研究团队都检测到了来自银河系内磁陀星的强大射电爆发(radio burst)。磁陀星是中子星的一种极端形式,它只有城市大小,拥有极强的磁场,是大质量恒星死亡超新星爆发后的余烬。其磁场强到可以在 1000 千米外撕裂你身体中的原子核和电子,让你 " 溶解 " 在宇宙空间中。

拥有极强磁场的磁陀星早就是FRB 的首要候选体了。但我们从未从我们星系中的几个磁陀星那里观察到和 FRB 类似的爆发,而从银河系内磁陀星 SGR 1935+2154 观测到射电爆发,虽然短暂却关键,正是科学家一直以来缺失的。如果这颗磁陀星在我们临近的仙女座星系中,我们将无法辨别它是否是典型的 FRB。

" 这是这一领域的伟大时刻," 阿姆斯特丹大学的天文学家 Kenzie Nimmo 说," 现在我们至少可以确定,FRB 来自磁陀星。"

在这些发现构筑的根基上,理论学者对磁陀星如何产生 FRB 的猜想得以茁壮成长。大多数想法指向了磁陀星的星震,或者是磁陀星磁力线断裂重连瞬间产生的爆发。这样的事件可能直接导致 FRB,或者其冲击波加热周围环绕的物质,让尘埃和气体变成等离子体向外爆发射电波。

就在 SGR 1935+2154 的射电信号到达之后,几个望远镜看到了来自它的X 射线闪光(我国慧眼卫星也观测到了这次 X 射线暴),表明释放射电爆发的过程具有复杂的副作用。但具体是什么过程造成了这样的爆发,目前还不清楚。" 它发生在天体表面还是磁层?又或者是磁陀星周围的物质?" 阿姆斯特丹大学的天体物理学家 Emily Petroff 问到," 我们在这一点上还未达成共识。"

宇宙好奇心

当然,任何单独的 FRB 都不能以一概全。2021 年夏天,专门用于搜寻 FRB 的加拿大 CHIME 望远镜释放了包含 536 次 FRB 的星表,这是它第一年工作的成果,将已知的 FRB 数量番了三倍。这些 FRB 很明显可以分为两种成分,一种会不断重复闪烁,另一种只会爆发一次。CHIME 的数据表明非重复的 FRB 远比重复的 FRB 常见,而且每个都有不同的特点。

平均来看,重复 FRB 非重复的持续时间更长,其频率分布也更集中。至于这是否代表两者产生机制是否具有根本上的区别,还是其宿主的年龄或环境差别导致的,目前还没有定论。这种情况类似于早些时候,另一个巨大的难题:伽马射电暴。上世纪 90 年代,这种暴发可以由 3 类独立的机制产生,他们有持续时间长短的区别。未来的探测中,科学家有可能通过 FRB 伴随的可见光性质来进一步区分它们之间的性质。

CHIME 的星表中包含大量 FRB,分布在各类星系中。这又打断了 FRB 和磁陀星的联系,因为磁陀星大多分布在具有大量大质量,短寿命的恒星的活跃星系中。但 CHIME 的 FRB 列表中很多源都来自几乎没有恒星形成过程的,很安静的星系。

" 磁陀星可以解释一部分 FRB。没人会否认," 康奈尔大学的天文学家 Shami Chatterjee 说,"但所有 FRB 都来自磁陀星?事实应该并非如此。"

一篇正在被《自然》杂志审查的论文为这一论断添加了一些证据,它的预印本在 5 月已经公开在 arXiv.org 上。一个研究团队通过欧洲的射电望远镜阵列 VLBI,精准定位了 FRB 重复源 FRB 20200120E。这一天体本来被定位在临近旋涡星系 M81 中,但 VLBI 能让天文学家进一步放大,发现它位于一个古老的、密集的星团中。这样的星团主要包含 100 亿岁的恒星,但磁陀星往往被认为只能持续 10 000 年左右,然后他会成为中子星,不再释放 FRB。

" 这是革命性的成果," 哈佛大学的理论天体物理学家 Mohammadtaher Safarzadeh 说," 造成 FRB 信号的东西似乎具有和球状星团一样的年龄,这绝对不是磁陀星。"

内华达大学拉斯维加斯分校的理论天体物理学家 Bing Zhang 表示,磁陀星或许偶尔也能通过两颗中子星碰撞产生,尽管这种现象还从未被观测到过,但它的确能让古老的区域中出现一颗年轻的磁陀星。但是没人知道这种事件多久发生一次,或是这样产生的磁陀星能活跃多长时间,让人们很难对特定的 FRB 建立这种模型。

另一件令人好奇的事情让事情变得更加复杂:FRB 20180916B,它也被称为 R3,因为它是第三个被发现的重复源。它位于一个恒星形成旋涡星系,距我们 5 亿光年,原先被认为处在星系中央,随后被证明处在星系边缘,这表明要么是它年龄比原先预估的更大,要么是它是从诞生地被踢到星系边缘的。更奇怪的是,它每 16.35 天就有 4~5 天的活动期,让它成为所谓的周期性重复源

研究人员一直在想这些周期性到底代表了什么。磁陀星像陀螺一样绕轴旋转,而附加在旋转轴上的喷流时不时会对向地球,这是一种可能。另一种是它围绕爆发源绕着另一个结构旋转,例如被物质盘环绕的黑洞,他们的旋转周期可能会掩盖掉爆炸事件。甚至还有更奇特的模型,比如一对互相绕转的中子星,它们的磁层可能会周期性地相互作用,形成一个可暴发的空腔。

" 现在让这个领域如此有趣的事,有很多令人兴奋的可能性,"Chatterjee 说到。

渐进的答案

还有很多重要的问题紧跟着 FRB 天文学家。非重复源真的只会爆发一次吗?如果观测时间够长的话,我们能否观测到它们的下一次爆发?银河系中的磁陀星似乎都很安静,但在银河系年轻的时候它们是否更活跃一些?小行星落入黑洞这类神奇的现象能产生类似 FRB 的信号吗?新的观测证据和理论如雨后春笋般出现,对试图解释这一切的天文学家而言,机遇与挑战并存。

CHIME 合作组织现在正在计划再添加一台相似的望远镜,增加对 FRB 源定位的精度。未来几年内,研究者应该就能获得几百到一千多例 FRB 的确切位置。除了能进一步限制 FRB 模型外,这样的数据也能帮科学家测量宇宙本身。

原来,天文学家只知道 FRB 来自银河系之外,因为它们具有强烈的色散,也就是 FRB 的高频信号比低频信号提前几毫秒到达地球。这是因为在电磁波在宇宙中穿行时,路径上有很多电子。通过观测宇宙大爆炸的余晖:宇宙微波背景,宇宙学家能估计出宇宙中可见物质的总量大约是已经被观测到的恒星和星系的两倍左右。那些还没被发现的物质被认为存在星系之间,而研究人员想借 FRB 照亮它们。去年,一个团队用估计了一些 FRB 在宇宙中穿行时穿过的物质的数量,结果表明几乎和通过宇宙微波背景估计的相同。终极目标是建立整个宇宙的物质分布图。一些 FRB 是高度极化的,在飞行过程中被磁场扭转了一定角度,或许能给天文学家了解其他星系和星系之间的磁场分布的机会。

但 FRB 起源之谜仍未被揭开。尽管越来越多的人认为,这种现象需要不止一种无力解释,但该领域的人知道,这并不是什么注定的结果。" 我预测,在下一个十年内,我们将再获得一两个惊喜,就像银河系中的磁陀星,以前我们甚至不知道我们应该寻找这种天体,而现在它已经将(对 FRB 的)理解向前推了一大步,"Petroff 说到。一些广泛传播的怀疑是,至少一部分非重复 FRB 来自中子星碰撞之类的灾难性事件,这种事件也会产生引力波。如果射电望远镜能在 LIGO 之类的引力波探测器探测到引力波时同时看到 FRB,那就能有力证明这种可能性。如果碰撞产生了一颗磁陀星,那么初始的、灾难性的、独特的一次性 FRB,能否产生一个独特的重复 FRB 源?没人能回答这个问题。

作为天文学中的一个课题,FRB 仍显得年轻匆忙。鉴于最近的进展,FRB 最初的发现者之一,西弗吉尼亚大学的天体物理学家 Duncan Lorimer 从没想到 FRB 的研究进展如此之快。"就当你认为一切都尘埃落定的时候,一年内所有这些了不起的发现就接踵而至。" 他说到。

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