天文學最大的謎題之一:FRB

2020-11-08 光明網

隱藏在舊數據中的神秘信號

2007年,在一個寒冷的日子裡,就讀於美國西維吉尼亞大學物理和天文系的本科生David Narkevic正在檢查舊數據,他希望能從澳大利亞帕克斯天文臺在2001年的觀測數據中,找到銀河系的衛星星系——麥哲倫星雲中的脈衝星的信號。

圖片素材來源:ESA

在大量的數據中,Narkevic注意到了一個有趣的信號:一個似乎來自於銀河系之外,且持續非常短暫的射電波爆發。他帶著信號圖,走進了他的導師Duncan Lorimer的辦公室。Lorimer對此感到既困惑又興奮,因為他意識到,Narkevic所發現的很可能是一個新的宇宙信號,但Lorimer完全不知道宇宙中的何種現象會釋放出如此非同尋常的信號。

乍看之下,這個信號確實很像脈衝星。但它卻異常明亮,所釋放出的能量比最亮的脈衝星還要高出上億倍。更令人驚訝的是,它起源於非常非常遙遠的地方,至少約在30億光年之外(作為對比,太陽系距離銀河系中心僅為2.6萬光年)。如果該射電暴真的來自那麼遙遠的地方,那麼它肯定是在恐龍橫行地球之前就已經被釋放出來了。

同年的晚些時候,Lorimer發表了這一發現。然而在最初的幾年,許多天體物理學家都對此持懷疑態度,他們認為這種信號很可能只是來自手機或微波爐的幹擾,而不是什麼真實的天體物理事件。但到了2013年,當另外四起相似事件被發現後,天文學家開始興奮了。之後越來越多的證據表明,這些射電暴是一種真實的、急需被解釋的全新射電信號。

由於這些射電暴信號只持續短短的幾毫秒,因此它們也被稱為快速射電暴,簡稱FRB。事實上,FRB並非什麼罕見的事件,據最新的估計表明,每天大約有1000起FRB事件從各個方向抵達地球。然而,它們的稍縱即逝使得對它們進行探測和定位成了一件極具挑戰的事。

2020年11月7日,天體物理學家、麥吉爾大學教授Victoria Kaspi作為騰訊WE大會的主講嘉賓之一,為我們講述神秘的快速射電暴。| 圖片來源:騰訊科學WE大會

數十億光年之外

一個有趣的問題是,天文學家是如何得知FRB是來自遙遠的宇宙深處的?我們知道,星系和星系或恆星和恆星之間並不是空的,而是充滿了氣體和等離子體。當FRB穿過氣體時,會產生色散現象。就好比白光照射進稜鏡會被分為不同顏色的光一樣,當射電波經過氣體雲時,也會發生一些變化:

地面望遠鏡看到的延遲效應越明顯,就意味著在旅途中,射電波遇到的物質也越多。雖然從不同頻率信號抵達望遠鏡的時間差可以預估其爆發源的距離,但往往誤差較大,因為射電波在途中遇到的物質分布並非是均勻的。|圖片素材來源:星際云:ESO;望遠鏡:CSIRO

更確切的說,不同頻率射電波的延遲程度是由色散量(DM)定義的:

DM越大,代表爆發源越遠,比如Lorimer所發現的FRB的DM=375pc cm⁻³。已觀測到的FRB的DM值區間在100到2600之間,典型值大約為300-400。

圖片來源:騰訊科學WE大會

定位!

雖然FRB的色散量能夠告訴我們爆發源的大致距離,但卻無法精確地定位它的宿主星系。過去,天文學家看到的FRB都是一次性事件,但在2016年,他們確認發現了第一例重複射電暴:FRB 121102。天文學家觀測到了同一爆發源的多次爆發。2012年11月2日,位于波多黎各的阿雷西沃望遠鏡首次記錄到了這一射電暴,之後便開啟了天文學家對同一爆發源的長期觀測。

重複FRB是精確定位其源頭的關鍵。我們知道望遠鏡的解析度——即它可以看到的細節水平——取決於觀測到的光的波長和望遠鏡的大小。為了增強射電望遠鏡的解析度,天文學家會應用甚長基線幹涉測量技術將相隔遙遠的射電望遠鏡連接在一起。通過讓多臺望遠鏡同時進行觀測,天文學家等同於創造出了一臺超大口徑的射電望遠鏡。

2016年,基於幹涉測量技術,天文學家使用位於美國新墨西哥州的央斯基甚大陣(包含了27臺25米口徑的天線)探測到了FRB 121102的多次爆發。根據收集到信號,天文學家最終定位了FRB 121102:來自於距離地球30億光年之外的一個矮星系。如果不是有驚人的射電爆發,這個星系將只是萬億個星系中平平無奇的一員。進一步的觀測表明,射電爆發似乎起源於宿主星系外圍的一個恆星形成區域。

FRB121102。| 圖片來源:Gemini Observatory/AURA/NRC/NSF/NRAO

近幾年來,綠堤射電望遠鏡、澳大利亞平方千米陣探路者(ASKAP)、加拿大氫氣強度映射實驗(CHIME)、中國天眼(FAST)、第2次瞬態天文射電發射調查(STARE2)等射電天文臺均開始搜尋FRB。天文學家不僅發現了越來越多的FRB,也再次定位了幾個FRB事件,例如非重複的FRB 180924、FRB 181112、FRB 190523都是來自數十億光年之外的大質量星系,而重複的FRB 180916則來自旋渦星系。

目前在超過百例的FRB事件中,已確認發現的重複FRB有20多個。其中,CHIME團隊發現,FRB 180916的爆發具有16.35天的周期性。在最新的一項研究中,天文學家認為FRB 121102具有157天的周期性。

CHIME是一臺革命性的新型望遠鏡,與其他的射電望遠鏡完全不同,它由四個圓柱形反射鏡組成,可以全天候監測整個北半球的天空,觀測範圍比傳統射電望遠鏡大得多,在一年的時間裡可以探測到數百個FRB。可以說,CHIME的投入開啟了尋找FRB的全新時代。| 圖片來源:CHIME Collaboration

目前,這一領域進入爆發式的發展,新的發現不斷地在刷新我們對FRB的認知。但關於FRB還有許多問題縈繞,比如是否大部分或所有的FRB都是重複的?是否還存在其他類型的FRB?

圖片來源:騰訊科學WE大會

「嫌疑犯」

但在所有的問題中,最令人著迷的依然是:是什麼產生了FRB?為了抓到「嫌疑犯」,理論學家絞盡腦汁,提出來的模型數量曾一度超過了已觀測到的FRB事件。

從光的有限速度和FRB的持續時間,天文學家可以大致限制爆發源天體的大小:≲光速×信號的持續時間。簡單的計算會將「嫌疑犯」的目標鎖定為宇宙中的緻密天體,比如白矮星、中子星或恆星級黑洞,因此大多數的理論也與之相關。在眾多理論模型中,有一些還涉及到了未被證實的假想物體,比如宇宙形成時遺留下的時空結構的一維拓撲缺陷——宇宙弦,又比如由數量大致相同的上、下、奇夸克組成的奇異星,以及由軸子聚集形成的軸子星(軸子是一種假想粒子,是暗物質的候選粒子)。

圖片來源:騰訊科學WE大會

是磁陀星嗎?

2020年11月4日,在《自然》雜誌上發表了三篇論文報導了一例銀河系內的FRB的來源。2020年4月27日,格雷爾斯雨燕天文臺和費米γ射線空間望遠鏡探測到了銀河系內一個已知的磁陀星SGR 1935+2154的多次X射線和γ射線輻射爆發(磁陀星是一種高度磁化的年輕的中子星)。28日,CHIME和STARE2在同一片天空區域探測到了快速射電暴FRB 200428。此外,其他的空間望遠鏡和探測器也報導了在觀測到FRB 200428的同時,探測到了來自SGR 1935+2154的X射線暴。

後續的一系列研究都表明FRB 200428是如此的特別,它是第一個在銀河系內找到的快速射電暴,是第一個除了射電波之外還探測其他輻射的快速射電暴,也是第一個與磁陀星有關的快速射電暴。

那麼磁陀星是如何產生FRB的呢?一個可能的機制如下:

註:新發射的電子和其他帶電粒子與舊耀斑對撞的地點實際上距離磁陀星非常遙遠。碰撞會產生向外移動的激波波前,從而產生巨大的磁場。|圖片素材來源:磁陀星:ESA/ATG Medialab;望遠鏡:CHIME Collaboration

在另一篇發表在《自然》的綜述中,作者Bing Zhang總結道,最新的發現表明磁陀星至少可以產生部分,也許是全部的FRB。不過,他並沒有排除其他爆發源的可能性。

儘管新的發現取得了重大的進展,但仍存在著一些未解的問題,比如非重複性的FRB是否是真實存在的?如果是,那麼會是什麼產生了它們?除了磁陀星之外,是否還有其他的機制可能產生重複FRB?未來,當越來越多的FRB被觀測到的,一些問題也會變得越來越清晰。

圖片來源:騰訊科學WE大會

自13年前FRB被發現以來,對FRB的探索就像是在譜寫一本宇宙偵探小說,如今我們已經確認了一個重要的嫌疑犯。值得一提的是,在這趟探索之旅中,我們不僅對FRB有了更加深刻的理解,同時FRB也為我們研究宇宙帶來了全新的方式。例如,FRB是探索宇宙中失蹤物質的重要工具(詳見:《尋找隱藏的½(5%)》)。接下來,讓我們期待更多的數據將帶來的全新情節。

參考來源:

https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2007Sci...318..777L/abstract

https://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev-astro-091918-104501

https://www.newscientist.com/article/dn12699-extragalactic-radio-burst-puzzles-astronomers/

https://www.sciencemag.org/news/2019/03/homespun-canadian-telescope-could-explain-mysterious-radio-signals-distant-universe

https://arxiv.org/pdf/1810.05836.pdf

http://frbcat.org

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2828-1

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2863-y

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2839-y

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2872-x

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來源: 中科院高能所

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