加拿大CHIME望遠(yuǎn)鏡探測到FRB快速射電暴

這兩天，隨著一個新的天文發(fā)現(xiàn)被國內(nèi)某些媒體報道，“外星人”要來了的消息席卷了部分人的朋友圈。

具體的發(fā)現(xiàn)是這樣的：一支加拿大科學(xué)團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了史上第二次重復(fù)快速射電暴（FRB），研究成果以兩篇論文的形式 9 日在線發(fā)表在《自然》雜志上，介紹了包括這次 FRB 在內(nèi)的 13 個最新探測到的射電暴。而在此之前，人類僅發(fā)現(xiàn)過一個 FRB，這一新源頭的出現(xiàn)，將極大促進(jìn)天文學(xué)家對這種神秘河外射電束的理解。

加拿大CHIME望遠(yuǎn)鏡探測到FRB快速射電暴

英國《自然》周刊9日載文說，加拿大氫強(qiáng)度測繪實驗（CHIME）射電望遠(yuǎn)鏡2018年夏天測試期間13次探測到快速射電暴，其中代號FRB180814.J0422+73的快速射電暴最令天文學(xué)家興奮，自從2018年8月14日首次出現(xiàn)以來，這個快速射電暴又在15億光年外的宇宙深處重復(fù)出現(xiàn)了至少5次。

15億光年外遙遠(yuǎn)的無線電波信號涌入到這里，這款叫CHIME望遠(yuǎn)鏡能夠快速捕捉射電暴。如果說之前脈沖星意外發(fā)現(xiàn)神秘伽馬射線脈沖是一個神秘驚喜的話，那21世紀(jì)最神秘驚喜就是快速射電暴（FRB），因為它意味著是某種能量極強(qiáng)的事件在遙遠(yuǎn)的地方發(fā)生，我們在地球上觀察到的就是短暫的無線電波脈沖?？焖偕潆姳┦且粋€激動人心的謎團(tuán)，目前我們無法解釋FRB究竟是意味著什么？我們有很多猜想。

這款望遠(yuǎn)鏡位于加拿大不列顛哥倫比亞省，全名叫氫強(qiáng)度映射試驗望遠(yuǎn)鏡，我們簡稱CHIME，它不是你想象當(dāng)中望遠(yuǎn)鏡的樣子，這臺物理望遠(yuǎn)鏡沒有可移動部件，它只有20米寬100米長的金屬槽，可是它所探測到的區(qū)域十分巨大，這是他們的優(yōu)勢之一。金屬槽的設(shè)計可以看到天空中一個條形的范圍，隨著地球自轉(zhuǎn)這個條形每24小時在整個天空掃過一圈。此次發(fā)現(xiàn)的射電暴達(dá)到了前所未有的量級，是迄今為止找到的快速射電暴的幾百倍，在世界所有望遠(yuǎn)鏡中，這款望遠(yuǎn)鏡的發(fā)現(xiàn)射電暴的效率是最高的。

它是通過不斷產(chǎn)生數(shù)據(jù)，大約是普通射電望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)的100倍，因此計算的難度相當(dāng)大，而且快速射電暴的數(shù)據(jù)是實時流動的，所以說CHIME可以稱的上是這個領(lǐng)域的探路者或者說是領(lǐng)軍者，在實時的快速射電暴系統(tǒng)中，每組數(shù)據(jù)只能看一眼，因為一秒之后數(shù)據(jù)就消失了，所以說建立這個系統(tǒng)是一個真正的挑戰(zhàn)，可以說是軟件開發(fā)中一個不同以往的攔路虎。在前期剛開始研究FRB的幾周時間內(nèi)，發(fā)現(xiàn)的快速射電暴是兩天一個左右。

FRB 是一種來自銀河系之外的遙遠(yuǎn)無線電波短脈沖，由于是無線電，一直都有人想當(dāng)然地就認(rèn)為它的出現(xiàn)與外星智慧文明有關(guān)，進(jìn)而故意夸大甚至混淆它最有可能的產(chǎn)生機(jī)制。這一次該發(fā)現(xiàn)在國內(nèi)的傳播也屬于這種情況。目前科學(xué)界對其了解仍然非常有限，只知道它是從非常強(qiáng)大的磁場中發(fā)射出來的，但來源是什么根本仍毫無頭緒，這也是為什么科學(xué)界鮮有發(fā)現(xiàn) FRB 就判斷它與外星智慧有關(guān)的最主要原因。

快速射電暴是一種持續(xù)時間只有幾毫秒的無線電波爆發(fā)事件。自從2007年首次發(fā)現(xiàn)以來，天文學(xué)家共探測到60多次快速射電暴。其中，只有波多黎各阿雷西沃天文臺2012年探測到的代號FRB121102的快速射電暴重復(fù)出現(xiàn)過，據(jù)推測源自地球25億光年之外的遙遠(yuǎn)星系。

快速射電暴被認(rèn)為是一種頻繁發(fā)生的宇宙現(xiàn)象，但科學(xué)家對其發(fā)生原因尚不清楚。這次研究的通訊作者、麥基爾大學(xué)天文學(xué)家什里哈什·滕杜卡爾認(rèn)為，快速射電暴可能由“稠密、動蕩的寄主星系”產(chǎn)生，重復(fù)出現(xiàn)排除其“災(zāi)難性源頭”的可能。“例如，兩顆中子星合并，或者中子星被黑洞吞噬，不可能產(chǎn)生快速射電暴。”

這些快速射電暴能量極強(qiáng)、頻率很高。我們所在星系中最相近的類似物（脈沖星）比它們微弱萬億倍。我們想要搞清楚，它們究竟是什么天體發(fā)出的、它們與其它已知的宇宙中的爆炸和天體（比如伽馬射線、超新星和中子星等）有什么關(guān)系。了解這些后，我們對宇宙就會有更完整的認(rèn)知。

這些快速射電暴還能幫助我們，不用現(xiàn)有已知手段，就確認(rèn)宇宙中的電磁場分布。這樣，我們就能研究宇宙結(jié)構(gòu)和天體的分布。

認(rèn)為“射電暴來自外星文明”的想法完全沒有任何依據(jù)。針對快速射電暴的產(chǎn)生原理，我們制作了很多不同的模型。目前，因掌握的快速射電暴數(shù)據(jù)很少，很難對大部分模型做排除，但此次發(fā)現(xiàn)，使一些大爆發(fā)模型和一些不會產(chǎn)生任何低頻射電暴的模型遭到懷疑。真的沒有任何理由認(rèn)為快速射電暴來自外星文明或者外星人。

這一次的發(fā)現(xiàn)則是在新探測器試運(yùn)行期間發(fā)現(xiàn)的，其最重要的價值，一方面是證明了新探測器的效果還是比較優(yōu)異，有望在未來 FRB 數(shù)據(jù)采集工作中發(fā)揮重大作用，另一方面也預(yù)示著，可能存在更多的 FRB。

在 CHIME 開始收集數(shù)據(jù)之前，有科學(xué)家認(rèn)為它設(shè)計涵蓋的無線電波長頻率太低，不足以探測到快速射電暴。已知的快速射電暴，大多數(shù)頻率都接近 1400 赫茲，遠(yuǎn)高于 CHIME 400 到 800 赫茲的探測范圍。

然而，團(tuán)隊發(fā)表于 1 月 9 日《自然》的兩篇研究表明（于同日在西雅圖舉行的美國天文學(xué)會的會議上進(jìn)行了展示），這些懷疑都是多余的，因為他們探測到的 13 個快速射電暴，大多數(shù)都遠(yuǎn)低于 CHIME 所設(shè)定的頻率上限。其中一些的頻帶底部信號非常亮，這表明其他潛在快速射電暴的頻率可能比 400 赫茲還要低。

被檢測到的 13 個快速射電暴中，大多數(shù)都有“散射”的跡象，這揭示了無線電波源的周圍環(huán)境。根據(jù)觀測到的散射量，研究人員得出結(jié)論，認(rèn)為快速射電暴的來源是強(qiáng)大的天體，并更有可能位于特殊位置。

“無論這些無線電波源自哪里，看看它能產(chǎn)生多大范圍的頻率都是很有趣的。有一些模型的來源，從本質(zhì)上就無法產(chǎn)生低于某一特定頻率的任何東西，”麥吉爾大學(xué)的 Arun Naidu 說。

“(我們現(xiàn)在知道) 這些源可以產(chǎn)生低頻無線電波，這些低頻電波可以逃離它們的環(huán)境，當(dāng)它們到達(dá)地球時，不會因為太分散而無法被探測到。這能告訴我們一些關(guān)于快速射電暴所處的環(huán)境和來源的信息。我們還沒有解決這個問題，但至少謎題中又多了些線索?！眮碜约幽么髧已芯课瘑T會（National Research Council of Canada）的小組成員 Tom Landecker 表示。

曾經(jīng)觀測到的FRB

綜合各射電望遠(yuǎn)鏡的觀測數(shù)據(jù)，截止到 2017 年 1 月，共有 17 個非重復(fù)快速射電暴和 1個重復(fù)快速射電暴 (FRB 121102) 被探測到。對于非重復(fù)快速射電暴，除了 FRB 110523是在 800 MHz 波段被美國綠岸望遠(yuǎn)鏡 (Green Bank Telescope，簡稱 GBT) 觀測到之外，其他16 個非重復(fù)暴均在 1 400 MHz 波段被 Parkes 觀測到。

而對于重復(fù)快速射電暴 FRB 121102，自 2012 年它被美國阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡 (Arecibo Radio Telescope，簡稱 Arecibo) 探測到 1次爆發(fā)后，在 2015 年和 2016 年又被 GBT 和美國甚大天線陣 (Very Large Array，簡稱 VLA)先后探測到 25 次爆發(fā)。其中 12 次爆發(fā)是在 1 400 MHz 波段被 Arecibo 觀測到， 5 次爆發(fā)是在2 000 MHz 波段被 GBT 觀測到，而 VLA 在 3 000 MHz 波段觀測到了其余 9 次爆發(fā)事件 (在這 9 次爆發(fā)中，有 3 次同時也被 Arecibo 觀測到)。

這些重復(fù)爆發(fā)現(xiàn)象說明 FRB 121102 可能與其他非重復(fù)暴并不相同，代表了快速射電暴的新類別。人們認(rèn)為重復(fù)快速射電暴可能起源于軟伽馬重復(fù)暴、脈沖星穿過小行星帶，或者中子星-白矮星雙星系統(tǒng)等。

對FRB的研究期待

快速射電暴是人們觀測到的最神秘的天體爆發(fā)現(xiàn)象之一，也是進(jìn)展很快的領(lǐng)域。

從 2007年第一個快速射電暴被發(fā)現(xiàn)之后，截至 2017 年 1 月，已有 17 個非重復(fù)快速射電暴和 1 個重復(fù)暴被觀測到。對于重復(fù)快速射電暴 FRB 21102，人們已經(jīng)觀測到其多波段對應(yīng)體，并將定位精度提高到亞角秒量級，證認(rèn)出宿主星系，并精確測定其紅移。

但遺憾的是，其他大量非重復(fù)暴的宿主星系和紅移并沒有得到嚴(yán)格證認(rèn)，因此，快速射電暴的起源和物理本質(zhì)尚不清楚。如果快速射電暴的確起源于河外，那么其在射電波段釋放的能量可以達(dá)到 1031 ～ 1033 J。

這么巨大的能量和光度，使之有望成為研究宇宙學(xué)的一個有力工具，如有助于測定宇宙中天體的距離、測量宇宙中的電子密度，甚至檢驗愛因斯坦等效原理，乃至檢驗光子靜止質(zhì)量非零假設(shè)等。

此外，還可以通過色散延遲空間的畸變分析宇宙物質(zhì)分布的成團(tuán)性，測量宇宙大尺度結(jié)構(gòu)?？焖偕潆姳┑暮撩霑r標(biāo)和強(qiáng)流量暗示它們的前身星可能是致密天體。而一些可能的前身星模型中，如雙中子星碰撞或者帶電黑洞的并合，可能會伴隨著伽馬射線暴和引力波輻射。

最新的觀測結(jié)果表明， FRB 110314 存在一個可能的伽馬波段的對應(yīng)體，其在爆發(fā)時的各向同性能量可高達(dá) 5 × 1044 J。針對這些關(guān)聯(lián)爆發(fā)的觀測和理論研究有可能是快速射電暴研究的下一個突破口，將是未來關(guān)注的重點(diǎn)。

作為世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，中國的 500 m 口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡 (Five-hundredmeter Aperture Spherical Radio Telescope，簡稱 FAST) 已于 2016 年 9 月初步建成。 FAST的有效口徑為 300 m，天頂角可以達(dá)到 40?，目前可開展低頻射電波 (70 MHz ～ 0.5 GHz) 和中頻射電波 (0.5 ～ 3 GHz) 的觀測，覆蓋了目前快速射電暴的主要觀測波段 (1 400 MHz 波段)。

因此， FAST 對快速射電暴的觀測十分值得期待。 研究者分析了 FAST 對快速射電暴的觀測率，他們預(yù)計在 1 000 h 的觀測時間內(nèi)， FAST 可以觀測到 5 ± 2 個快速射電暴。我們期待 FAST 盡快開展相關(guān)觀測，為人們提供更多的快速射電暴樣本。

總之，盡管快速射電暴的研究已經(jīng)取得一些初步進(jìn)展，但目前的觀測資料依然非常缺乏。許多基本的問題，如起源、噴流效應(yīng)、輻射機(jī)制等，都沒有得到解決。而隨著新的觀測結(jié)果不斷出現(xiàn)，一些新的問題，比如快速射電暴的分類、重復(fù)爆發(fā)現(xiàn)象、伽馬波段對應(yīng)體、引力波輻射等，也在不停出現(xiàn)。我們期待更多的儀器能夠投入到相關(guān)觀測中來，以便觀測到更多的快速射電暴樣本及它們的多波段對應(yīng)體，從而證認(rèn)宿主星系和準(zhǔn)確測定紅移，提供可靠的觀測證據(jù)。

隨著對快速射電暴的觀測和理論研究的不斷深入，人們將逐步揭開快速射電暴的本質(zhì)，同時也為更多天體物理學(xué)的研究提供新的手段。