《自然》:最神秘的宇宙信號,首次確定來源

2007年，天文學家發現了一種持續時間只有幾毫秒的高能天體物理現象——快速射電暴（FRB）。10多年來，它的來源眾說紛紜，甚至更加神秘。發表於《自然》的最新研究，首次明確了FRB的一個來源——今年4月，兩個天文臺分別觀測到了銀河系內一顆磁陀星的射電爆，這表明磁陀星至少是部分FRB的來源。

磁陀星的藝術概念圖（圖片來源：ESO/L。 Calçada）

最近，天文學家們一直在監測著距地球3萬光年處，一顆早已死亡的恆星殘骸所發出的奇特高能輻射該天體屬於「磁陀星」（magnetar），這是一種巨大的磁中子星。天文學家從中意外地發現了僅僅持續幾毫秒的強烈射電波爆發。這也是迄今觀測到的最為明亮的一次磁陀星爆發。

上述射電波爆發雖然源於我們所在的銀河系，但卻與一種名為快速射電暴（fast radio burst， FRB）的射電波閃變現象十分相似。FRB轉瞬即逝，極為明亮。此前的觀測記錄尚無法確定它由什麼物體發出，但它們都來自其他星系。如今的新發現確定了這顆磁陀星是一次FRB的來源，或許能夠解決關於FRB起源的至少一個謎題，儘管謎底可能會引向更多謎團。

「這確實是一項突破，而不是濫用這個詞。」 荷蘭射電天文學研究所和阿姆斯特丹大學的傑森·赫塞爾斯（Jason Hessels）說道。此次的結果不能一下子解決所有關於FRB的問題，但可以使我們向這個目標邁出一大步。

今年4月下旬，至少有兩個射電天文臺發現了那次射電暴。研究團隊將射電波追溯到一個高磁性中子星，也就是前文提到的那顆恆星的殘骸。這顆位於銀河系深處的死亡恆星名為SGR 1935 + 2154，質量是太陽的40~50倍。在大約一周的時間內，它一直在向宇宙發射高能輻射。

這是人類首次觀測到伴隨如此大規模伽馬射線的射電暴。由於此次射電暴既明亮又短暫，如今一些天文學家把它視為研究數十億光年以外FRB的絕佳模型。

阿姆斯特丹大學的艾米麗·彼得羅夫（Emily Petroff）表示，即便如此，要使這種微弱的聯繫更加明確，就需要清楚地評估該來源與先前觀察到的FRB有何不同。「正如研究FRB那樣，必須避免『見樹不見林』。我們需要擔心的是，這個來源只是個特例。」

捕捉FRB

十多年來，FRB一直是宇宙中最難解的謎團之一。這些射電波以光速行進，通常在宇宙穿梭數十億年之後才會被我們觀測到。這意味著，釋放這些射電波的天體必須十分強大。到目前為止，觀測到的所有爆發均來自遙遠星系。關於此現象的起源，天文學家多年來已經提出了數十種假說，其中包括正在蒸發的黑洞、爆炸中的恆星、發生碰撞的巨大天體。當然，還有一些不太正經的猜想，認為這是外星人在傳輸的我們聽不懂的信息。

越來越豐富的觀測結果使假說更加完善。天文學家觀測到一些重複性的爆發，這說明其來源無論是什麼，都不會在產生一次FRB後自毀。研究團隊將多臺望遠鏡對準天空中的多個位置，開始了對射電暴的實時捕捉。不久，好幾次射電暴的宿主星系都被追溯到了。然而，即使天文學家已收集了數百次爆發的數據，射電暴的起源仍然被疑雲籠罩。

彼得羅夫說：「我們每一次找到的新射電暴，都會與之前有所不同。我原本希望每次找到一個新的時，它都能證實我們之前所了解到的所有知識，但是現實從來不是這樣的！射電暴遠比我們想像的多種多樣，因此我們必須更加專注。」

天文學家使用CHIME（加拿大氫強度測繪實驗）射電望遠鏡首次發現了這次新爆發。這臺位於加拿大西南部的望遠鏡，專門用來搜尋FRB。自2018年末啟用以來，已發現了數百個此類信號。這次新爆發出現在望遠鏡視野的外圍，但由於其十分強烈，仍然可以被輕易觀測到。

圖片來源：CHIME

「這是一次來自磁陀星的非常明亮的射電暴。」多倫多大學的保羅·舒爾茨（Paul Scholz）說道，他在「天文學家電報」網站上向CHIME團隊實時報導了本次爆發事件。「這就是磁陀星與FRB之間的聯繫嗎？有可能。」

接到通知後，加州理工學院的天文學家對他們在爆發後時間段內收集的數據進行了初步檢查。他們的觀測結果由位於加利福尼亞州和猶他州的三個射電天線共同收集，是STARE2（第2次瞬態天文射電發射調查）項目一部分，專門用於探測來自銀河系內部的FRB。

與CHIME不同，STARE2從正面捕捉到了該事件，這使研究人員可以快速計算爆發的亮度。據他們估計，爆發如果發生在已知距離最近的銀河系外FRB處（約5億光年外），那麼從地球上仍然很容易被檢測到。對加州理工學院的斯裡尼瓦斯·庫爾卡尼（Shrinivas Kulkarni）而言，此次爆發的亮度和毫秒級的持續時長，是其與FRB的決定性關聯。

STARE2項目的首席研究員庫爾卡尼表示，根據這些觀察結果，「FRB的一個合理起源，便是其他星系中的活躍磁陀星。如果我們等待得足夠久，也許這個磁陀星甚至將會產生更明亮的爆發。」

第三個觀測結果來自另一個使用了歐洲航天局的軌道INTEGRAL（國際伽馬射線天體物理學實驗室）觀測臺的團隊，他們把射電暴與同時來自同一物體的X射線暴聯繫在一起，從而將其來源確定為磁陀星。在那之後，中國的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）則探測到了SGR 1935 + 2154的另一次射電暴，這次爆發的來源也指向磁陀星。庫爾卡尼說：「我敢用一年的工資打賭，就是這個來源。」

磁陀星爆發

幾年來，已有多種證據將磁陀星認定為造成FRB的「罪魁禍首」。這些中子星旋轉得極其迅速，並擁有極為強大的磁場，二者結合便可以產生巨大的輻射爆發。科學家還觀察到，一些FRB具有強烈而「扭曲」的極化現象。這表明它們起源於或曾穿過強磁環境，比如這些死亡恆星的周圍。

但答案的全貌尚未揭曉。赫塞爾斯說：「很長一段時間以來，人們一直在反駁說：『但是我們從未見過銀河系中的磁陀星有什麼動靜，它們的亮度甚至都稱不上明亮。既然如此，其他星系中的磁陀星怎麼就可以呢？』」

如今，有了這項新發現，天文學家正在仔細研究FRB和磁陀星之間的聯繫。「我不會說這就是最終的定論，或者這就是必不可少的中間環節，」彼得羅夫說，「但通過這項研究，我們距離找到銀河系中天體與產生FRB的天體之間的聯繫更近了一步。」

天文學家指出，儘管此次爆發比從此前磁陀星中觀測到的任何爆發都要明亮，但它的強度仍然比大多數FRB弱幾個數量級。研究人員可能會首先發現較微弱的爆發，這在意料之中，因為微弱的爆發可能比非常明亮的爆發更多，正如輕微的地震比大地震更頻繁一樣。較強的恆星耀發（flare）也可能產生較強的射電暴。雖然罕見，但有些磁陀星可以產生強大的耀發，即使隔著遙遠的星際距離，它們也能改變地球的電離層。赫塞爾斯說：「我很想知道，如果我們捕捉到了一次那樣的巨型耀發，我們會看到堪比FRB那般明亮的爆發嗎？」

另一個未解的謎題是，FRB是否可以具有多個不同的來源？迄今為止，觀察到的大多數爆發都是獨立的事件，但也有十幾次有著神秘來源的爆發是反覆發生的。距離我們最近（約有十億光年）的重複性FRB被稱為R3，每16天爆發一次。科學家懷疑，R3的周期性活動與鎖定在其引力範圍內的其他物體有關。但是，磁星SGR 1935 + 2154似乎沒有任何類似的軌道同伴。

赫塞爾斯說：「我希望不僅只有一種FRB。我也希望通過更深入的研究，可以同時發現很多東西。」