2022年04月07日 09:00
【科學快訊】
美國綠岸望遠鏡（GBT）能觀測到快速射電暴的偏振，「中國天眼」FAST接收面積更大卻看不到，兩者觀測頻率有所區別，這隱含了快速射電暴所處環境的信息。圖片來源：中國科學院FAST重點實驗室
快速射電暴是天文學最熱門的領域之一。這種射電瞬變源能在毫秒之間釋放太陽幾天甚至一年才能釋放的能量，但直到十餘年前才被科學家發現，有人甚至懷疑它是外星人星際旅行留下的痕跡。而現在，中國天眼即將憑借地球最強的觀測能力，破解這個天文學最熱門的謎題。
撰文|王昱
審校|二七
五感之中，人們最偏重視覺。但眼睛仍有諸多限制，它能注意到的不過是400~780納米之間，名為可見光的電磁波。這是太陽輻射能量最集中的波段。依靠對這些電磁波的觀測能力，人類在億萬斯年的演化戰爭中脫穎而出。但當我們建立文明，將視野投向無垠的宇宙後，眼睛、甚至是簡單的光學望遠鏡，就都顯得不太夠用了。
所以，我們可能會忽略很多事情。比如，直到1911年，當維克托·赫斯（Victor Hess）帶著靜電計搭乘熱氣球飛到5300米高空時，我們才知道地球正不停被宇宙線轟擊；直到1965年，當阿諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯特·威爾遜（Robert Wilson）清理了它們射電天線上的鴿子窩和鳥糞後，我們才確信宇宙存在微波背景輻射。不過，當2007年，鄧肯·洛裏默（Duncan Lorimer）團隊在澳大利亞帕克斯天文台成堆的數據中發現了一個2001年的怪異射電信號時，大多數人卻沒有放在心上。因為這個信號太奇怪了，持續時間短於5毫秒，卻釋放了太陽一個月才能釋放出的能量。這個信號被稱為「洛裏默暴」，不少人都認為它可能是地面幹擾造成的。直到2012,2013年，天文學家又陸續發現了幾個相似的信號，天文學界才賦予這個現象正式的名字——快速射電暴（Fast radio burst，FRB）。
快速上升的觀測能力
快速射電暴的發現出人意料的晚。它並不是什麼罕見的天象，在「洛裏默暴」時代，天文學家就估計每天天空中都會出現數百次這樣的暴發。而且在那之前，大型射電望遠鏡已經觀測宇宙長達半個世紀。用「中國天眼」首席科學家李菂的話說：「這一個厘米波段宇宙中最亮的瞬變源，甚至用量產的電視天線都有可能探測到。」
所以，在確認快速射電暴的存在之後，人類對它的探測能力也急速上升。在這個過程中，人們借助美國阿雷西博望遠鏡強大的觀測能力，意外發現有的快速射電暴源（FRB 121102）可以重複暴發。後來的加拿大CHIME射電望遠鏡，本來是通過觀測宇宙中的氫進行宇宙學研究，卻意外憑借大視場成為了檢測快速射電暴的利器。2021年，它一口氣公布了536次快速射電暴，其中大部分是新發現的源。當時，人類已知的快速射電暴源不過100多個。2007年「中國天眼」FAST正式立項時，「快速射電暴」這一名詞甚至還沒有出現。而現在，FAST卻憑借全球最高的靈敏度，成為了深度監測快速射電暴的主力。因為FAST能觀測到其他望遠鏡觀測不到的暗弱信號，2019年，北大天文學博士生羅瑞甚至以此讓原先不重複的快速射電暴FRB 180301「變成」了重複快速射電暴。2021年，FAST重點實驗室公布了自己的觀測結果，僅從FRB 121102一個重複源，就能觀測到1652次快速射電暴，超出了以往觀測數量的總和。
在這些強大的望遠鏡出現之前，快速射電暴領域也經曆過模型數量多於觀測實例的階段。那時，快速射電暴是理論專家狂歡的舞台，中子星、黑洞、宇宙弦等五花八門的理論都被提了出來。我們的「外星人常客」，哈佛大學天文系前主任阿維·洛布（Avi Loeb）自然也沒有缺席，他曾主張快速射電暴是外星人星際航行使用光帆時留下的痕跡。
人類在夜空中發現的快速射電暴的位置大致分布。圖片來源：NRAO Outreach/T。
Jarrett （IPAC/Caltech）； B。
Saxton， NRAO/AUI/NSF）
隨著觀測能力的增加，我們距離快速射電暴的真相也越來越近。快速射電暴又成了觀測天文學家炫技的秀場。現在，快速射電暴可謂是天文學中最熱門的領域。
2020 年 4 月 28 日，加拿大CHIME射電望遠鏡觀測到了一次射電爆發，這一現象和快速射電暴十分相似，被命名為FRB 200428。與此同時，幾顆太空中的X射線觀測衛星還觀測到了來自相同方向的X射線暴，其中包括我國的慧眼衛星。這些信號被證明都來自銀河系內的磁陀星 SGR J1935+2154（一種具有超強磁場的年輕中子星）。FAST也參與了相關研究。這一系列研究被《自然》雜志評為年度十大科學進展。阿姆斯特丹大學的天文學家肯齊·尼莫（Kenzie Nimmo）說 ：「現在我們至少可以確定，部分FRB來自磁陀星。」
2021年，歐洲甚長基線幹涉儀精准定位了FRB 20200120E，發現它位於一個古老的球狀星團中。磁陀星的壽命很短，只有幾萬年，一般來說不會出現在球狀星團中。因此有人提出，可能是球狀星團中的致密雙星合並產生了磁陀星。
2021年，FAST從FRB 121102觀測到了1652次快速射電暴，超出了以往人類觀測數量的總和。在這些數據中，FAST沒有發現周期性，卻發現它們的能量分布呈現出雙峰結構。同時，此次FAST觀測時間僅有2個月，卻發現FRB 121102釋放的能量已經超出了單顆磁陀星可用能量的38%，這基本排除了重複快速射電暴起源於單顆磁陀星的可能性。（該成果入選 2021 年度「中國科學十大進展」）
消失的低頻偏振
電磁波是一種橫波，存在偏振。在偏振光中，電場和磁場都只能在特定方向震動。比如液晶顯示屏發出的就是偏振光。
大多數手機、電腦屏幕發出的光都是偏振光
2019年，在一篇關於快速射電暴的綜述文章中，艾米莉·彼得羅夫（Emily Petroff）博士寫到：「未來幾年，除了CHIME射電望遠鏡寬廣的視場能提供大量快速射電暴樣本之外，快速射電暴的相信參數（對於確定快速射電暴的起源）也非常重要。比如不受儀器精度限制的偏振信息和時變信息。」
快速射電暴都是偏振的，但測量偏振對望遠鏡的靈敏度要求很高，而這正是FAST的優勢。FAST的饋源可以看成兩個正交方向的天線，可以同時測量兩個偏振成分，再組合出整體性質。快速射電暴都是偏振的。2020年10月，羅瑞博士正是憑借FAST對FRB 180301的觀測，分析出它的單次脈沖的偏振沒有特定的取向，表明快速射電暴很可能起源於磁陀星的磁層。
科學家自然要充分利用FAST的觀測優勢。在FAST從FRB 121102觀測到1652次快速射電暴後，李菂團隊的馮毅博士嘗試分析FRB 121102的偏振信息，卻發現它完全沒有線偏振。
這個結果非常奇怪：先前其他望遠鏡對FRB 121102的偏振測量都顯示它為100%線偏振。FAST明明靈敏度更高，也已經完成了偏振校准，更理應能測到線偏振。在嘗試找到FAST完全測不到偏振的原因時，馮毅發現，FAST觀測時的頻段比其他望遠鏡觀測時的頻段更低。
馮毅有了一個想法——快速射電暴在傳播過程中，因為複雜的星際環境，電磁波傳播過程被分成了多條路徑。在不同路徑中，扭轉的方向不一樣，其中低頻電磁波的偏振方向更容易被扭轉。而我們觀測到的信號是所有路徑信號的總和，所以低頻信號就不再偏振，這被稱為「RM彌散（σRM）」。
馮毅發現在FAST對FRB 180301的觀測中，也呈現出了高頻線偏振程度高，低頻線偏振程度低的特點，這讓他進一步確定了自己的猜測。並且他認為，不同的重複快速射電暴會具有不同的RM彌散參數。觀測到的RM彌散越大，就表明電離環境越複雜，可能就表明環境處在更早的演化階段。通過對以往觀測數據的擬合，他預言，重複快速射電暴FRB 20190303A在FAST的波段應該是100%的線偏振。
難得的預言
四個月後，觀測結果證實了他的猜想。這是人類對快速射電暴一次難得的預言和證實。相關結果發表在《科學》雜志上。
重複快速射電暴偏振頻率演化關系。不同顏色的線代表不同的快速射電暴的偏振隨頻率演化關系曲線，每條線僅用一個參數「RM彌散（σRM）」擬合。σRM越大代表快速射電暴所處的環境越複雜，其所處的演化階段極為可能越早，和超新星遺跡等爆發類現象的特征更為吻合。圖片來源：SCIENCE 17 Mar 2022 Vol 375， Issue 6586 pp。
1266-1270
研究團隊中的理論專家，包括雲南大學楊元培副教授、普林斯頓魯文賓博士、內華達大學張冰教授等人已經構建了基於多路徑傳播的磁化散射屏模型，目前論文已經被《天體物理學雜志快報》接收。該模型可以通過RM彌散計算出快速射電暴源所處環境中磁場、電子數密度。對應的數據顯示，結果發現，快速射電暴源很可能位於超新星遺跡或脈沖星風雲內。這樣的環境表明，快速射電暴的起源，很可能是個年輕的中子星。
「磁化散射屏模型」的示意圖。快速射電暴源發出的輻射是線偏振的，但是在穿過由等離子體構成的磁化散射屏後，其偏振方向被扭轉為不同的方向，在觀察者看來，快速射電暴就不再偏振了。圖片來源：Yang， Y。-P。， Lu， W。， Feng， Y。， Zhang， B。， and Li， D。
2022，「Temporal Scattering， Depolarization， and Persistent Radio Emission from Magnetized Inhomogeneous Environments Near Repeating Fast Radio Burst Sources」， accepted by ApJL
馮毅的研究表明，如果要尋找快速射電暴的起源，我們可能要更傾向於研究那些能產生複雜電離環境的模型，比如涉及超新星遺跡或大質量黑洞的模型。雖然目前我們還不能確定快速射電暴究竟是如何產生的，快速射電暴甚至可能具有多種起源，但我們至少可以確定，快速射電暴源周圍的環境都是相似的。
快速射電暴是一個非常年輕的且活躍的領域，它也是中國科學家頻繁參與，並做出顯著貢獻的領域。不僅是中國天眼、慧眼衛星對觀測的貢獻，中國科學家也提出了大量關於快速射電暴形成理論的猜想。例如中科大戴子高教授已經發表20餘篇FRB模型的研究，年輕的科學家例如王維揚，楊元培等非常活躍。
人類對快速射電暴的觀測能力仍在快速上升。人類目前能想到的觀測手段，在未來2-3年內都將被分散在世界各地的望遠鏡，利用各自獨特的優勢所實現。目前觀測到的快速射電暴源中，大約10%是確定可重複的。但剩下的90%究竟是一次性的，還是因為太暗導致我們觀測不到它在重複，這個問題我們很可能有機會在將來的探測中得到解答。
在這場發現之旅中，「中國天眼」將會是不可替代的望遠鏡，人類有望借它回答快速射電暴的起源問題。李菂補充到：「如果還不能回答，那就又是一個世紀難題。」
主要參考論文：
參考鏈接：
