快速射电暴

探测快速射电暴(示意图)。

现代射电天文学的最大奥秘——快速射电暴依然无解。正如其名,快速射电暴的无线电波只持续一两秒,但却很强大——它们位列天空中最亮的电波源头,尽管穿行距离可能长达数十亿光年,它们却依然很明亮。科学家的最新估算结果是,一次快速射电暴产生的能量比太阳在一整天里产生的还多。

可见光只构成电磁光谱的一部分。如果你能看见无线电波,就全天都可能在天空中看见快速射电暴:它们来自各个方向,每天都有成千上万次。虽然快速射电暴如此常见,但直到大约20年前它们却仍未被探测到哪怕一次。如今,科学家依然不清楚快速射电暴究竟是什么,但由于技术进步和一些幸运的突破,他们终于开始窥探这种宇宙神秘信号的端倪。

澳大利亚帕克斯天文台。

天穹爆发

快速射电暴并不是被人刻意寻找而发现的。事实上,快速射电暴的第一次发现几乎是因为2007年的一场意外。当时,本科生纳科维奇在为美国射电天文学家罗瑞莫工作期间的主要任务是调查探测档案数据,以及寻找死亡恒星。当足够大的恒星以烈焰超新星的方式死亡时,它们会留下遗骸——完全由中子组成的核(即中子星)。中子星每秒自旋多次并发射辐射柱,掠过地球的辐射柱看上去就像脉冲,也就是说,中子星就像在远处闪光的宇宙灯塔,因此中子星也有脉冲星之称。纳科维奇的寻找对象正是脉冲星。他梳理澳大利亚帕克斯天文台的多次观测数据,由此寻找从近距离环绕银河系的两个卫星星系——大麦哲伦云和小麦哲伦云(合称麦哲伦云)发射的脉冲。

一个寒冷冬日,表征一种奇异射电暴、而非一颗中子星的档案数据引起了纳科维奇的注意,他立即向罗瑞莫报告说他认为自己发现了神秘的东西——一种单一的明亮脉冲,并且它看来并非来自麦哲伦云,而是来自很远的一个深空区域。对纳科维奇这一发现,就连罗瑞莫也感到惊奇,不知道该怎样理解它,但他知道这是自己从未见过的东西。2007年底,罗瑞莫公布了这一发现,并将这种脉冲称为快速射电暴。

一开始,其他科学家也不知道快速射电暴是什么玩意儿。不少科学家对所谓的“快速射电暴”持怀疑态度,猜测它们是来自于闪电和微波炉这样的平凡信号源。就连罗瑞莫的夫人(她也是一位射电天文学家)也认为,快速射电暴并非是一种真实的存在。

但致力于寻找快速射电暴的科学家们并不打算就此罢休。他们的理由是:快速射电暴的信号很短暂,天空却很大,而像帕克斯天文台(其实质是射电望远镜)这样的许多射电望远镜每次只能观测天空的很小一个区域,那么怎么能肯定快速射电暴不存在?就算科学家曾经在天空中探测到的不少信号最终被证实不为真,也不能证明快速射电暴是假的。最终,来自全球各地射电望远镜观测到并且经过确认的快速射电暴信号让怀疑者消除了怀疑。迄今为止科学家已探测到至少52次快速射電暴,他们最终确信自己手头真的又有了一种全新的无线电波(也称射电波)信号。然而,他们对这些信号本身几乎一无所知。

强弱之争

虽然科学家对快速射电暴所知甚少,但他们已经知道每一次快速射电暴都来自遥远深空。那么,快速射电暴能告诉我们什么?答案就隐藏在快速射电暴的信号内部。自然发生的大多数射电信号是宽频的,即频率范围宽,而不像你家附近的调频无线电台那样只有一个特定频率。在地球上我们采用窄带信号让我们共享的可得频谱最大化,而大自然并无这样的条件。仔细观测任何天文射电信号,你会发现低频信号的到达会稍晚于高频信号,原因是:虽然太空是比地球上任何真空都更好的真空,但太空的真空条件也不完美,而是到处都有杂散粒子。这些粒子与射电信号相互作用,从而拖慢较弱的低频信号,但更强的高频信号不太受杂散粒子纠缠,而是与这些粒子擦肩而过。信号穿行距离越远,低频信号的迟延通常也越明显。科学家称这种信号迟延为分散性测度。

如果射电信号来自于地球所在的银河系本身,那么分散性测度可能为30左右。而来自于麦哲伦云的信号分散性测度超过200。最早探查到的快速射电暴(在罗瑞莫宣布其发现之前的档案数据中揭示)的分散性测度为790,这意味着它来自于几十亿光年外。如此遥远的距离,向科学家说明了快速射电暴的源头:为了在非常遥远的地方能见到一个极度明亮的短暂信号,无疑需要一个极其强大的信号源。问题是,迄今为止没有任何科学家敢肯定这种信号源是什么,因为任何已知模型都不能很好地解释这个问题。

重复信号

在解读快速射电暴方面的第一个主要突破,源自快速射电暴121102的发现。快速射电暴的命名是根据其发现日期,因此快速射电暴121102的发现是在2012年11月2日。这一射电暴之所以鹤立鸡群,是因为长时间观测已证实其他所有已知的快速射电暴都只暴发一次,而它却暴发了多次。它有时会相隔几星期或几个月才暴发,但有时却会在一天内暴发多次。

重复性快速射电暴的一个发源地。

正是这种重复的杂乱信号,让有耐心的科学家对这种快速射电暴的了解多于对任何其他快速射电暴的了解。科学家通常知道在天空中什么区域寻找重复的快速射电暴,这让他们能精确定位重复性快速射电暴的源头坐标,因为有这样的精确度,所以科学家就能运用双子座天文台(位于美国夏威夷)和哈勃空间望远镜追踪重复性快速射电暴的源头。

这些追踪性观测发现快速射电暴121102的故乡是位于30亿光年外的一个难以名状的矮星系,这个矮星系的大小与大麦哲伦云相仿,比银河系大10%。仅仅这一点就够奇怪了:科学家预计像快速射电暴之类的天文现象应该源自活跃的大星系(星系中心有超大质量黑洞)或活跃的恒星形成区域,而不会源自像矮星系这样的宇宙“小个头”。

2018年,科学家把目光指向更远的深空。通过仔细分析快速射电暴121102射电波巨大的快速扭转(即信号偏振),他们得知它的故乡环境不同寻常。科学家推测,重复性快速射电暴的发生与中子星有关,发生环境非常极端。重复性快速射电暴信号可能源自一类特殊的中子星——磁星。磁星的磁场非常强大——通过压缩你身体原子内部的电子云,磁星在上万千米外就能杀死你。如果磁星的超强信号被超大质量黑洞附近区域的极端环境扭曲,或出现类似情况,就能很好地解释快速射电暴的强烈偏振。当然,重复性快速射电暴的形成机制可能并非如此。总而言之,重复性快速射电暴是一个另类,快速射电暴很难以一言概括。

加拿大氢强度绘图实验望远镜。

数据涌现

发现更多的快速射电暴是当务之急,科学家之所以还不能确定快速射电暴的来源,是因为信息不够。美国女天文学家艾米莉发现了第一批快速射电暴中的一部分,当时大多数同行仍不确定快速射电暴是否真实存在。通过对观测信号的首次综合分类,艾米莉帮助建立了快速射电暴这一学科领域。她相信,为了破解快速射电暴起源之谜,必须发现几百次快速射电暴,从中寻找相对统一的模式和特例。艾米莉还说,眼下情况是:被观测到的每一次快速射电暴都只是一片独特的“雪花”,各有其特殊性,而科学家需要的是“漫天大雪”。

随着位于加拿大的一部射电望远镜——“氢强度绘图实验”望远镜变身为快速射电暴追踪器,“第一场雪”已落下。顾名思义,该望远镜的主要目标正是绘制星系中的氢云图。因为“氢强度绘图实验”每次都能观测天空中大片区域,所以快速射电暴应该在它观测、绘图期间冒出来,此外,随着天空中一个固定区域每次飘过其上空,静止的“氢强度绘图实验”都会观测它,因此用该望远镜寻找重复性快速射电暴也就理所当然。如果“氢强度绘图实验”的视野中出现一次快速射电暴,那么该望远镜会每天自动监测它,由此寻找新的暴发。2018年7月,“氢强度绘图实验”团队第一次发现一场快速射电暴。该望远镜可能会发现更多的重复性快速射电暴,前提是这样的射电暴的确存在。

kyQh9KWMkD+GeF0l7jCGvN08c99q6T3hzctZhs1op0g=定位一次非重复性快速射电暴(示意图)。

光芒闪烁

探测数据不仅“雪花纷飞”,而且带来一些惊奇。2018年10月,在澳大利亚平方千米阵列探路者射电望远镜工作的科学家宣布发现了20次快速射电暴,这使得到当时为止已知的快速射电暴数量几乎翻倍,这也是在快速射电暴探索故事中的最近一个大转折。在这项观测中,科学家仔细选定全天空的50个区域,分别进行几百小时连续观测,试图发现重复性快速射电暴,虽然最终就连一个这样的射电暴都未找到,但这项观测的意义依然不言而喻。

平方千米阵列探路者团队把自己发现的快速射电暴与帕克斯天文台团队发现的快速射电暴进行比较,发现了一个有趣的关联:平方千米阵列探路者团队发现的快速射电暴更明亮,分散性测度更低,也就意味着它们的源头更近。这说得通:在一个大雾迷蒙之夜闪光灯离你越近则看起来越亮。通过测量相对亮度,甚至可以确定闪光灯离你有多远。平方千米阵列探路者团队所获探测数据表明,快速射电暴遵循同样的模式。

澳大利亚平方千米阵列探路者望远镜阵列。

想象一下这种情况:如果你知道一只闪光灯的确切位置并看见这只闪光灯,但它看上去却暗了许多,如果其他条件不变,那么你很可能会认为自己看到的并不是自己知道的那只闪光灯,而是另一只。重复性快速射电暴121102就是这第二只闪光灯:虽然所有非重复性快速射电暴看来都遵循平方千米阵列探路者团队确立的分散性测度与亮度之间模式,但快速射电暴121102看上去却比它在预计分散性测度下的亮度低得多。这让许多科学家很困惑。是否一次性和重复性快速射电暴的产生机制不同?也就是说,快速射电暴是否也分不同版本?这一点目前尚无一致性意见。不过,科学家把自己的发现一分为二的情况之前就有过(请参见相关链接:《一变二》)。

神秘信使

探测数据让科学家对快速射电暴有了一个个新的了解,但也带来了一连串新问题:快速射电暴是否都是重复性的,只不过现在被判定为一次性的快速射电暴的重复周期太长,而被误认为是一次性的?一次性和重复性快速射电暴是否是本质不同的现象?罗瑞莫在评论最近一系列快速射电暴的發现时指出,有关快速射电暴的理论数量比已经发现的快速射电暴数量还多。

有科学家认为,这种现象并不奇怪,因为未知的可能性实在太多,其中包括目前科学家根本没有想象到的可能,也许年轻的中子星比科学家预计的更充满能量;或者,快速射电暴涉及科学家尚不了解的物理学知识;再或者,快速射电暴所需的条件如此罕见,以至于银河系及其附近环境中缺乏这些条件,因而不能产生快速射电暴。有关非凡现象的非凡理论需要非凡的证据,快速射电暴正是这样一个非凡现象。

更好的情况是,不管是什么原因引起了快速射电暴,它们的信号都可能有助于科学家破解有关宇宙的奥秘,毕竟这些信号穿行了非常遥远的距离。新研究表明,研究快速射电暴的分散性测度,有可能成为了解星系之间稀疏物质和未知地带的新途径。科学家甚至可能将探测到在那些遥远地带存在的磁场,而目前科学家对这一现象几乎一无所知。

尽管有这么多悬而未决的问题,却至少有一点已很清楚:快速射电暴天文学时代已到来。

人工智能已开始参与探测外太空神秘信号,包括快速射电暴(示意图)。

相关链接:一变二

科学家有可能最终会发现不同版本的快速射电暴,即不同机制引起的不同类型的快速射电暴。之所以这样说,是因为这在天文学中有先例。

1973年,美国军方解密了伽马射线暴的存在。20世纪60年代,旨在探测核武器试验所产生伽马射线的美国军事卫星首次探查到了伽马射线暴。到1994年,至少已有118个伽马射线暴模型发表。随着每一次新发现伽马射线暴,这些模型中的一部分都被排除。

科学家后来发现,伽马射线暴实际上有两种主要类型(此外还有一些罕有类型):在探测到的伽马射线暴中,大约9%属于在大质量恒星坍缩成超新星时出现的“长暴”,其余大多数则为“短暴”。短暴的起源与两颗中子星的合并有关,这在2017年已被证实。

与此类似,超新星也有不同起源。当一颗超大恒星的燃料烧尽时,恒星在巨大爆发中死亡,留下一颗中子星或黑洞“遗体”。这样形成的超新星最常见,但也有少数超新星如此形成:常规质量恒星死亡留下的发光灰烬形成白矮星,白矮星重新点燃、撕裂形成超新星。科学家相信,这样的超新星是在白矮星从相伴恒星虹吸质量或与另一颗白矮星合并(或两者都有)的情况下形成的。但迄今为止,究竟什么机制形成什么类型的超新星依然不清楚。

伽馬射线暴(想象图)。

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年11月1日 上午12:18。
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