啥？几毫秒与几十年一样？揭开快速射电暴的神秘面纱

出品：科普中国

作者：云朝昂 温志刚（中国科学院新疆天文台）

监制：中国科普博览

2007年，天文学家们在早已归档的帕克斯射电望远镜脉冲星数据中发现了一个被忽视的信号——一个持续几毫秒的短促而明亮的射电脉冲。

这个瞬时射电脉冲在无线电波段上爆发的能量可相当于当前世界年发电量的几百亿倍，即太阳几十年来在无线电波段上发射出的能量总和！

这个信号在太空旅行长达数十亿年，在飞掠星际中的气体和尘埃后逐渐减速，再经色散、闪烁、散射等效应后，它的脉冲轮廓已发生较大变化，那么这一信号到底是什么呢？

帕克斯射电望远镜（图片来源：Flickr/Amanda Slater, CC BY-SA）

来自微波炉的神秘信号

让我们把时钟拨回到1998年，位于澳大利亚的帕克斯射电望远镜发现了一则神秘信号——先是高频，然后频率逐渐降低，最后归于平静。

关于这段信号，天文学家们各抒己见，有人认为是闪电引发的脉冲，有人则认为是外星人的信号。

随后的日子里，这段熟悉的信号断断续续出现，每次都是在白天，而且是在饭点。因此，帕克斯望远镜的工作人员们在观测的17年里已经养成了一个习惯，那就是端着饭等待信号到来，从1998年到2015年，17年里风雨无阻。

天文学家们为这则信号写了上百篇论文，并发表在了权威的杂志上，他们甚至给这个信号起了一个名字——peryton，一种半鹿半鸟怪，影子呈人形，它与2007年被忽视的射电信号非常相似。

Peryton形象（图片来源：Wiki）

直到2015年，一位新来的同事发现这则信号的频率在2.4GHz左右，与微波炉频率一致，由此他们终于确认了这段信号来自天文站某个研究室的微波炉，于是科学家们17年的努力瞬间归零。

这件事成为了科学研究史上著名的乌龙事件，揭示了从事天文研究的残酷性。

快速射电暴：来源未知的天体物理现象

而对于2007年被忽视的信号，世界各国科学家经再三确认，它既不是望远镜的故障也不是噪音，更排除了微波炉辐射出来信号的可能，他们把它称作“快速射电暴”，即FRBs（fast radio bursts），是一种未知来源的天体物理现象，表现为平均持续几毫秒的瞬态射电脉冲。

自2007年帕克斯64米射电望远镜首次发现快速射电暴以来，科学家们在FRB目录中收录了共有约700个源发出这样的信号，其中有63个信号源发出了至少2次FRB信号（数据截止到2023年5月）。

银道坐标系下帕克斯望远镜观测天区的空间分布图。橙色星号展示了81个快速射电暴候选体的分布，灰色阴影区域展示了1997至2001年望远镜的观测区域。5个紫色星号则是帕克斯望远镜早先已经公开发表的在2001年探测到的快速射电暴（包括Lorimer等人发现的第一个快速射电暴）。（图片来源：《皇家天文学会月刊》）

这样重复爆发的FRB被称为“重复暴”，其中非常有名的一个是FRB180916.J0158+65，数字表示FRB被探测到的时间。

这个快速射电暴是在2018年9月16日被首次探测到的，它是迄今为止探测到的唯一一个具有固定周期的快速射电暴，它的周期是16.35天；而只发生一次的FRB被称为“非重复暴”。

探测到快速射电暴有何意义？

科学家们研究FRB已有十几年时间，人们对它的认识仍然较为模糊，如它的起源前身星到底是什么？位置在哪？产生原因和机制是什么样的？

这些问题都需要更多的观测数据来给出答案，现阶段科学家们已能从探测到的FRB推测出部分物理结果。

在快速射电暴抵达地球的时候，它所携带的信号波长不同，传播速度不同，到达地球的时间也不同。

通过记录不同波长的到达时间，科学家们就能知道快速射电暴在漫长的旅途中经历过多少星际物质，利用它们探测星际介质中自由电子密度分布。

FRB121102（图片来源：Gemini Observatory/AURA/NRC/NSF/NRAO）

快速射电暴还能对爱因斯坦广义相对论中的弱等效原理（weak equivalence principle，即无静止质量<如光子>或静止质量可忽略<如中微子>的中性粒子在引力场中传播，穿越的时间和没有引力场情况是不同的）进行检测。

由于快速射电暴的光变曲线一般呈现简单的单脉冲特征，利用快速射电暴不同频率光子到达地球的时间差，可以精确验证弱等效原理假设。

利用快速射电暴的色散测量（DM值），科学家们可以探测低红移宇宙中“缺失”的重子，给出重子“缺失”的其中一个可能理论解释。

除此以外，快速射电暴还能作为一种“标准烛光”用来观测高红移（z＞5）的宇宙膨胀。如果高红移尺度上存在显著的暗能量效应，快速射电暴将是这一红移范围最好的观测手段。

快速射电暴与宿主星系艺术想象图

图片中望远镜为中国天眼（FAST）和空间分辨率最高的单口径光学望远镜凯克望远镜（绘图：喻京川、傅海）（图片来源：科学大院公众号）

快速射电暴大事记

据天文学家推测，虽然我们目前监测到的快速射电暴个数有限，但它应该是一种普遍存在的宇宙现象。他们认为，快速射电暴在宇宙中发生的频率大约是每秒一次（目前探测到约700个）。

尽管科学家们还未完全弄清快速射电暴中的科学谜题，但几十年的观测与研究已经让我们取得了不少成果。

结语

FRB领域是一个充满了神秘和挑战的研究领域，我们借助中国天眼FAST高灵敏度观测能力，以及在低频波段具有的观测优势，同时伴随着中国科学院新疆天文台奇台观测站110米全向可动射电望远镜的建成，可在更高频范围内、更大天区范围内观测到更多FRB信号，相信未来人类将在快速射电暴的研究上取得质的飞跃。

参考文献：

[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.