這個與眾不同的射電信號,究竟來自何方?

位于波多黎各的阿雷西博望遠鏡在星空下的圖像。這張照片經過軟體處理，來自快速射電暴FRB121102的光在背景中被合成出來，該宇宙射電源來自30億光年遠的矮星系。最新的研究結果表明這個FRB是由一類特殊的中子星發出的，這顆中子星很有可能在繞著一個巨大的黑洞旋轉。

一個團隊目前正在研究距離地球30億光年的FRB121102，這是目前唯一檢測到重複信號的快速射電暴。科學家發現這個信號處於強磁場環境中，而如此之強的磁場之前只在靠近銀河系中心的一個中子星附近檢測到過，這顆中子星非常靠近銀河中心的超大質量黑洞。研究團隊認為，這個FRB源自一顆年輕的、快速旋轉、高度磁化的中子星，也被稱為磁星，它很有可能繞著大質量黑洞旋轉。這個發現在發表在1月11日的《自然》雜誌上。

「有史以來第一次，我們對射電暴的源頭所處的環境有了些了解，那可是30億光年外。」論文共同作者，康奈爾大學的Shami Chatterjee說道。「我們意識到這是兩個極為奇異的天體的疊加效應：我們需要一顆前所未有的磁星，而且我們需要把它放在一個大質量黑洞的旁邊。但是在我們所處的星系中確實有類似這樣的例子。」不過，天文學家沒有發現靠近銀河系中心的那顆磁星發出FRB，目前觀測到的FRB來源通常都非常遙遠。

FRB來自何方？

FRB信號十分奇特的性質證明它們確實離我們很遙遠，它們發出的無線電波在穿過充斥在恆星和星系之間的氣體雲和電子時出現了色散，色散的程度和它們到我們的距離成正比。這說明FRB可以作為探測宇宙結構的最佳工具，研究人員不僅可以知道某個FRB源頭距離我們有多遠，還可以知道從射電源到我們這裡經過了多少星際和星系物質。但是為了更深入地理解它，天文學家還需要知道FRB是如何產生的，科學家探測到FRB121102的重複信號，究竟是一個普遍的現象還是只是一個特例呢？

為了解開這個謎，該團隊花了幾個月的時間監測了FRB121102的周期性信號。他們使用了世界上最大的兩臺射電望遠鏡，位于波多黎各的阿雷西博望遠鏡和位於西維吉尼亞的綠岸望遠鏡。

FRB121102的周期性信號並不是規律性的變化，相反，它的信號斷斷續續，到目前為止還不能夠做到精準的預測。這個團隊最終捕捉並分析了16次暴發。每次探測到的暴發持續時間，從9毫秒到30毫秒不等，表明射電源直徑可能有10千米，而這恰好是一個典型的中子星直徑尺度。

除了關注射電暴的持續時間和色散程度，研究人員也測量了它的偏振特性，也就是射電暴發出的電磁波在垂直於傳播方向上的振動方向，例如是上下還是左右。當偏振光經過強磁場和帶電粒子時，它的偏振方向會隨著傳播螺旋轉動，帶電粒子越多或者磁場強度越大偏振方向旋轉的越厲害。

也正是這個效應使研究人員確認射電源處於強磁場中。

險些錯失的發現

這個重複出現的射電暴處於極端的環境，並不是顯而易見的。在10月份，也就是Seymour在阿雷西博望遠鏡探測到第一個信號的10個月之後，阿姆斯特丹大學的 Jason Hessels和他的學生 Daniele Michilli分析了觀測數據，他們當時正在試圖判斷發射源附近是否存在強磁場，如果存在強磁場，它將改變電磁波的偏振，這種效應又稱法拉第旋轉。但他們並沒有什麼發現。

但是Hessels有一個想法：「會不會是因為這個效應太強了，以至於我們反而忽略掉它了呢？」他們最開始搜尋的是一個很小的偏轉，如果把查找的範圍擴大一些呢？他讓Michilli調高了要找的參數，「嘗試了一些瘋狂的數字，」Michilli說道。他們把參數放大了5倍，這是個看起來「很幼稚」的行為，因為在此之前他們從來沒遇到過這麼高的數值。

當Michilli的筆記本顯示了最新的數據圖時，Hessels立即意識到電磁波一定是經過了很強的磁場。「當時我就震驚了，沒想到在這個事件中看到如此之強的法拉第旋轉效應。」他說道。這是在脈衝星和磁星探測過程中從未遇到的情況。他接著說到，「我當時很慚愧，因為我們在如此重要的數據面前坐了幾個月，卻沒想到問題的突破口如此簡單。」

測量結果顯示，FRB121102的偏振旋轉效應非常大，所經過的電磁場與目前觀測到的擁有最強電磁場的天體源不相上下。旋轉的程度也在迅速地改變，在大約半年的周期內減少了大約10%。不管射電暴究竟由什麼天體發出，它一定是由稠密的磁化等離子云（高溫電離氣體）包圍著的高速緻密天體。

「等離子體透鏡」放大亮度？

「我們現在能弄明白極端的環境是如何和這個唯一觀測到重複信號的FRB相聯繫的嗎？」論文共同作者，阿姆斯特丹大學的Jason Hessels提出這樣的疑問。「也許極端的環境能夠放大射電暴亮度，就像是一種類似放大鏡的結構。」這種結構可能是高密度等離子體聚集成的團塊，不斷地在圍繞著FRB發射源的氣體雲中運動。因此，雖然電磁波是持續發射的，「等離子體透鏡」可以間歇性地放大這個信號，從而製造出我們觀測到的重複射電暴。如果沒有這种放大的效應，重複觀測到的射電暴將很難解釋，因為信號是如此之強，以至於很多模型表明其來源要被徹底破壞，例如兩個中子星的碰撞產生的能量才會導致這樣的暴發。

科學家首次對FRB121102的本質產生粗淺的認識可以追溯到2017年，當時人們認為這個奇異的FRB和距離地球30億光年的矮星系有聯繫，在那裡有很多恆星誕生。這樣的矮星系富含原始氣體，這樣的氣體自宇宙大爆炸以來就沒發生過改變，更容易形成巨大且壽命短的恆星，而這種恆星最後會以十分壯麗且激烈的超新星爆發結束它的生命。爆炸留下的殘骸可能是恆星質量黑洞，或者是普通的中子星，也可能是磁星。更重要的是，當天文學家擴大視野，觀察FRB在矮星系中的位置時，他們在旁邊發現了一個正發出更弱、更穩定的電磁波信號的等離子體雲，它可能是磁星當初經歷的超新星爆發或者是正在吞噬物質的黑洞產生的。但在當時，沒有人知道FRB是否和這團等離子體雲有確切的聯繫，而最新研究證實FRB就在這團雲中。

藝術家筆下的磁星

「去年對信號源的定位直接地改變了遊戲規則，」來自康奈爾大學的合作作者Jim Cordes說到。「最新的結果更深入地研究了FRB和它所處的環境，我們把能夠製造這些高能射電暴的環境稱為「發動機」。Cordes和其他的合作作者表示，這個驚人的發動機最有可能是一顆年齡小於一個世紀的磁星，和我們銀河系中所知道的已經形成了上千年的恆星相比，它可以說是相當年輕了。如此年輕的磁星應該是在高速旋轉的，大概自轉一周只需要一毫秒，但它的角動量也會迅速減少，因為它旋轉的磁場會將大部分能量釋放到包圍著它的膨脹的等離子體殼中，這個外殼正是超新星爆發的遺骸。

兩種猜測

「當磁星在旋轉的時候，它的磁場也會改變。這個磁場如此之強以至於它會帶著磁星鐵一樣的殼層一起轉動，殼層隨之破裂，產生星震和耀斑，向周圍活躍的星雲釋放能量。」Cordes說道，「這是其中的一種可能。」另一種可能，是一顆磁星圍繞著吞噬周圍氣體和塵埃的大質量黑洞旋轉。在那種情形下，磁星會周期性的經過黑洞周圍的吸積盤和粒子噴流，其強大的磁場會驅動那些物質高速運動。不管是哪一種情況，都會產生能夠探測到重複信號的FRB。如果FRB121102的偏振幅度持續減弱（在半年內已經觀測到10%的減弱），這將表明圍繞著它的星雲在慢慢膨脹和耗盡，更加支持第一種解釋。如果在它周圍有持續的磁場振蕩，這將和在黑洞附近的解釋更加符合。

雖然這些結果對於揭開FRB121102的謎團很有幫助，科學家對於更大的一個疑團仍然無能為力：所有的FRB都是產生於同樣的天體源嗎？所有的FRB都會有重複信號嗎？「這是一個「先天與後天」的問題，」Chatterjee說道，「是FRB都起源於這樣極端的環境，還是極端的環境是後天產生的，在這樣的環境下，強磁場和等離子體透鏡才可以使它重複地發出信號？所有的可能性都是開放的。」

很快就會有更多的答案，新的大視場射電望遠鏡很快就會投入使用，可以探測到更多的FRB信號，這樣我們就可以清晰地了解它們的宇宙起源和重複機制了。其中一個很特別的項目名叫CHIME(Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment)，這個項目會在今年晚些時候運行，到時天文學家每天會探測到幾個到幾十個FRB，給我們帶來更加接近宇宙中的FRB謎團真實面目的希望。

參考資料：https://www.quantamagazine.org/astronomers-trace-radio-burst-to-extreme-cosmic-neighborhood-20180110/

作者：Katia Moskvitch

翻譯：張克文