出品：科普中國(guó)

作者：云朝昂 溫志剛（中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

2007年，天文學(xué)家們?cè)谠缫褮w檔的帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡脈沖星數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)被忽視的信號(hào)——一個(gè)持續(xù)幾毫秒的短促而明亮的射電脈沖。

這個(gè)瞬時(shí)射電脈沖在無(wú)線電波段上爆發(fā)的能量可相當(dāng)于當(dāng)前世界年發(fā)電量的幾百億倍，即太陽(yáng)幾十年來(lái)在無(wú)線電波段上發(fā)射出的能量總和！

這個(gè)信號(hào)在太空旅行長(zhǎng)達(dá)數(shù)十億年，在飛掠星際中的氣體和塵埃后逐漸減速，再經(jīng)色散、閃爍、散射等效應(yīng)后，它的脈沖輪廓已發(fā)生較大變化，那么這一信號(hào)到底是什么呢？

帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡（圖片來(lái)源：Flickr/Amanda Slater, CC BY-SA）

來(lái)自微波爐的神秘信號(hào)

讓我們把時(shí)鐘撥回到1998年，位于澳大利亞的帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一則神秘信號(hào)——先是高頻，然后頻率逐漸降低，最后歸于平靜。

關(guān)于這段信號(hào)，天文學(xué)家們各抒己見(jiàn)，有人認(rèn)為是閃電引發(fā)的脈沖，有人則認(rèn)為是外星人的信號(hào)。

隨后的日子里，這段熟悉的信號(hào)斷斷續(xù)續(xù)出現(xiàn)，每次都是在白天，而且是在飯點(diǎn)。因此，帕克斯望遠(yuǎn)鏡的工作人員們?cè)谟^測(cè)的17年里已經(jīng)養(yǎng)成了一個(gè)習(xí)慣，那就是端著飯等待信號(hào)到來(lái)，從1998年到2015年，17年里風(fēng)雨無(wú)阻。

天文學(xué)家們?yōu)檫@則信號(hào)寫(xiě)了上百篇論文，并發(fā)表在了權(quán)威的雜志上，他們甚至給這個(gè)信號(hào)起了一個(gè)名字——peryton，一種半鹿半鳥(niǎo)怪，影子呈人形，它與2007年被忽視的射電信號(hào)非常相似。

Peryton形象（圖片來(lái)源：Wiki）

直到2015年，一位新來(lái)的同事發(fā)現(xiàn)這則信號(hào)的頻率在2.4GHz左右，與微波爐頻率一致，由此他們終于確認(rèn)了這段信號(hào)來(lái)自天文站某個(gè)研究室的微波爐，于是科學(xué)家們17年的努力瞬間歸零。

這件事成為了科學(xué)研究史上著名的烏龍事件，揭示了從事天文研究的殘酷性。

快速射電暴：來(lái)源未知的天體物理現(xiàn)象

而對(duì)于2007年被忽視的信號(hào)，世界各國(guó)科學(xué)家經(jīng)再三確認(rèn)，它既不是望遠(yuǎn)鏡的故障也不是噪音，更排除了微波爐輻射出來(lái)信號(hào)的可能，他們把它稱作“快速射電暴”，即FRBs（fast radio bursts），是一種未知來(lái)源的天體物理現(xiàn)象，表現(xiàn)為平均持續(xù)幾毫秒的瞬態(tài)射電脈沖。

自2007年帕克斯64米射電望遠(yuǎn)鏡首次發(fā)現(xiàn)快速射電暴以來(lái)，科學(xué)家們?cè)贔RB目錄中收錄了共有約700個(gè)源發(fā)出這樣的信號(hào)，其中有63個(gè)信號(hào)源發(fā)出了至少2次FRB信號(hào)（數(shù)據(jù)截止到2023年5月）。

銀道坐標(biāo)系下帕克斯望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)天區(qū)的空間分布圖。橙色星號(hào)展示了81個(gè)快速射電暴候選體的分布，灰色陰影區(qū)域展示了1997至2001年望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)區(qū)域。5個(gè)紫色星號(hào)則是帕克斯望遠(yuǎn)鏡早先已經(jīng)公開(kāi)發(fā)表的在2001年探測(cè)到的快速射電暴（包括Lorimer等人發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)快速射電暴）。（圖片來(lái)源：《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》）

這樣重復(fù)爆發(fā)的FRB被稱為“重復(fù)暴”，其中非常有名的一個(gè)是FRB180916.J0158+65，數(shù)字表示FRB被探測(cè)到的時(shí)間。

這個(gè)快速射電暴是在2018年9月16日被首次探測(cè)到的，它是迄今為止探測(cè)到的唯一一個(gè)具有固定周期的快速射電暴，它的周期是16.35天；而只發(fā)生一次的FRB被稱為“非重復(fù)暴”。

探測(cè)到快速射電暴有何意義？

科學(xué)家們研究FRB已有十幾年時(shí)間，人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)仍然較為模糊，如它的起源前身星到底是什么？位置在哪？產(chǎn)生原因和機(jī)制是什么樣的？

這些問(wèn)題都需要更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)給出答案，現(xiàn)階段科學(xué)家們已能從探測(cè)到的FRB推測(cè)出部分物理結(jié)果。

在快速射電暴抵達(dá)地球的時(shí)候，它所攜帶的信號(hào)波長(zhǎng)不同，傳播速度不同，到達(dá)地球的時(shí)間也不同。

通過(guò)記錄不同波長(zhǎng)的到達(dá)時(shí)間，科學(xué)家們就能知道快速射電暴在漫長(zhǎng)的旅途中經(jīng)歷過(guò)多少星際物質(zhì)，利用它們探測(cè)星際介質(zhì)中自由電子密度分布。

FRB121102（圖片來(lái)源：Gemini Observatory/AURA/NRC/NSF/NRAO）

快速射電暴還能對(duì)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論中的弱等效原理（weak equivalence principle，即無(wú)靜止質(zhì)量<如光子>或靜止質(zhì)量可忽略<如中微子>的中性粒子在引力場(chǎng)中傳播，穿越的時(shí)間和沒(méi)有引力場(chǎng)情況是不同的）進(jìn)行檢測(cè)。

由于快速射電暴的光變曲線一般呈現(xiàn)簡(jiǎn)單的單脈沖特征，利用快速射電暴不同頻率光子到達(dá)地球的時(shí)間差，可以精確驗(yàn)證弱等效原理假設(shè)。

利用快速射電暴的色散測(cè)量（DM值），科學(xué)家們可以探測(cè)低紅移宇宙中“缺失”的重子，給出重子“缺失”的其中一個(gè)可能理論解釋。

除此以外，快速射電暴還能作為一種“標(biāo)準(zhǔn)燭光”用來(lái)觀測(cè)高紅移（z＞5）的宇宙膨脹。如果高紅移尺度上存在顯著的暗能量效應(yīng)，快速射電暴將是這一紅移范圍最好的觀測(cè)手段。

快速射電暴與宿主星系藝術(shù)想象圖

圖片中望遠(yuǎn)鏡為中國(guó)天眼（FAST）和空間分辨率最高的單口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡凱克望遠(yuǎn)鏡（繪圖：喻京川、傅海）（圖片來(lái)源：科學(xué)大院公眾號(hào)）

快速射電暴大事記

據(jù)天文學(xué)家推測(cè)，雖然我們目前監(jiān)測(cè)到的快速射電暴個(gè)數(shù)有限，但它應(yīng)該是一種普遍存在的宇宙現(xiàn)象。他們認(rèn)為，快速射電暴在宇宙中發(fā)生的頻率大約是每秒一次（目前探測(cè)到約700個(gè)）。

盡管科學(xué)家們還未完全弄清快速射電暴中的科學(xué)謎題，但幾十年的觀測(cè)與研究已經(jīng)讓我們?nèi)〉昧瞬簧俪晒?/p>

結(jié)語(yǔ)

FRB領(lǐng)域是一個(gè)充滿了神秘和挑戰(zhàn)的研究領(lǐng)域，我們借助中國(guó)天眼FAST高靈敏度觀測(cè)能力，以及在低頻波段具有的觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)伴隨著中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)奇臺(tái)觀測(cè)站110米全向可動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡的建成，可在更高頻范圍內(nèi)、更大天區(qū)范圍內(nèi)觀測(cè)到更多FRB信號(hào)，相信未來(lái)人類將在快速射電暴的研究上取得質(zhì)的飛躍。

參考文獻(xiàn)：

[1] Macquart J P , Keane E , Grainge K ,et al.Fast Transients at Cosmological Distances with the SKA[J].Advancing Astrophysics with the Square Kilometre Array, 2015:055.DOI:10.22323/1.215.0055.

[2] Fender R , Stewart A , Macquart J P ,et al.Transient Astrophysics with the Square Kilometre Array[J].Physics, 2015.DOI:10.48550/arXiv.1507.00729.

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