2021年10月15日 09:00
【科學快訊】
快速射電暴（fast radio burst，FRB）是宇宙中最大的謎團之一。FRB在2007年首次被發現，14年來，無數天文學家將目光轉向FRB，希望以它為線索揭開更多宇宙奧秘。而昨天在《自然》雜志發表的一篇論文中，中國科學家領銜的國際研究團隊用FAST發現了1652次快速射電暴，超過了以往所有文獻記載的數量總和。FAST此次觀測成果，或許能改變天文學家探索FRB的方式。
編譯 | 王昱
審校 | 石雲雷
2007年，FRB首次被發現時，天文學家對它可能是什麼一無所知。從未有任何理論預言過快速射電暴（fast radio burst，FRB）的存在。這種來自宇宙深處的暴發可以在幾毫秒內閃現又消失，每一例FRB釋放的能量都相當於太陽一年釋放出的能量之和。每天都會有多個FRB從各個方向向地球奔來，但它們大多都是單獨發生的，難以捕捉。
天文學家爭先恐後地提出各種想法。從旋轉中子星的巨型磁暴發，到宇宙大爆炸遺留的宇宙弦，甚至還有正在進行星際跳躍的外星飛船，解釋FRB的理論五花八門。在FAST和其他搜尋FRB的望遠鏡開始運行之前，理論家之間甚至一度流傳著一個笑話——解釋FRB的理論的數量已經超過了已知FRB事件本身的數量。
昨天，一個國際研究團隊在《自然》雜志上報告了他們用500米球面射電望遠鏡（FAST，又稱中國天眼）探測到了一組有史以來最大的FRB數據集。根據論文，他們共探測了1652次FRB，超過了以往所有文獻記載次數的總和。所有這些短暫而明亮的暴發都來自30億光年外一個矮星系中的一個未知的FRB源。除了顯著增加目前已知的FRB總數以外，此次觀測到的FRB能量分布範圍也非常大，同時具有一定的統計特征，為FRB迷一般的起源提供了新的線索。
「這項研究非常徹底，具有此前FRB研究中從未有過的細節，」荷蘭阿姆斯特丹大學和加拿大麥吉爾大學的天體物理學家埃米莉·彼得羅夫（Emily Petroff）說，她沒有參與這項研究，「在不久的將來，深入分析單個FRB源將成為FRB研究中的重中之重。」
一連串的暴發
直到2016年，天文學家才發現第一個重複的FRB源，並將其命名為FRB 121102。統計規律表明，不斷增長的FRB記錄中大約有20%會重複出現（同一個位置至少出現了2次FRB）。研究人員對這些重複的FRB源跟蹤觀測，能獲得更多細節。FRB 121102則是迄今為止被研究得最透徹的FRB源，它位於一個年輕恒星正在形成的星系。FRB 121102的行為很難預測，其行為通常被描述為具有「季節性」。在FAST之前，科學家曾用其他望遠鏡從這個源發現了約350個FRB。
論文第一作者兼FAST首席科學家李菂表示，由於FAST前所未有的靈敏度，它能捕捉到其他望遠鏡無法觀測的低能量脈沖。當該團隊在FAST調試階段進行觀測測試時，他們發現FRB 121102正處在活躍期，時常發出明亮的脈沖。所以，他們決定每天抽出一小時來檢測它。結果證明，暴發比預期的密集得多。有時，大約每30秒就有一次FRB發生。從2019年8月29日到10月29日，他們用59.5小時的觀測時間共檢測到了1652次FRB。
本次發現的1652個FRB分為兩種：一種能量較高、一種能量較低。首次FRB的發現人之一、該論文的合著者、美國西弗吉尼亞大學的天文學家鄧肯·洛裏默（Duncan Lorimer）表示，這可能是由兩種不同的物理機制導致的。
然而，目前尚不清楚這些機制是什麼。即便如此，因為這些FRB釋放出的能量如此之高，總能量達到了一顆磁陀星（一種磁場極強的中子星）可用能量的3.8%，並且這個源並沒有表現出任何較短的周期性（這表明源在旋轉或在固定的軌道上運轉），李菂認為，他的團隊已經基本排除了FRB 121102來自一個孤立致密天體——例如旋轉中子星或者一個黑洞——的可能性。
但其他人卻對這一結論充滿顧慮。比如，中國科學技術大學的理論物理學家戴子高表示，FRB 121102仍然可能是一顆磁陀星，這是一種具有極強表面磁場的特殊中子星。當磁陀星的外層在星體磁場突然變化的壓力下發生改變時，它就會發生「星震」。就像由板塊運動或小行星撞擊都能引起的地球上的地震一樣，「例如，當磁陀星時常被周圍的小行星撞擊時，它就可能發生多次星震——這也是（FRB 121102）可能存在的一個場景。」戴子高解釋說。
FRB快車道
「FAST非常適合用於這樣的研究——對重複源進行深入分析，」洛裏默說到。雖然並非為尋找FRB設計，但FAST極高的靈敏度能讓它檢測到其他望遠鏡錯過的現象。也正因如此，對FRB研究而言，FAST最好和其他望遠鏡配合使用，比如加拿大的CHIME望遠鏡，其具有廣闊的視野，它非常善於發現從我們頭頂各個方向射來的FRB。
FAST在2016年落成，超過去年坍塌的阿雷西沃望遠鏡成為世界上最大的球面射電望遠鏡。今年早些時候，FAST宣布對全球科學界開放，征集來自全球科學家的觀測申請。
彼得羅夫是CHIME/FRB合作組成員，她表示她的團隊現在已經成功申請到了FAST的觀測時間。根據李菂的說法，獲批准的國際項目已經開始觀測了。由於疫情，外國科學家仍只能遠程操作。
激進的未來
李菂表示，FAST將會繼續監測FRB 121102，同時調查其他重複源。他還透露，他的團隊正在研究一個尚未公開的源，它的行為比FRB 121102「更激進」。戴子高表示，研究普通的和「激進」的FRB系統，對於理解對FRB的行為及其本質至關重要。他和其他專家說，要取得進一步的突破，需要全球多個望遠鏡在不同波段共同努力——也包括對中微子和引力波的觀測。
洛裏默表示，盡管我們已經觀測到了很多FRB的現象，但其理論仍然很不成熟。下一步是盡可能多地確定下這些源所在的星系，就像李菂團隊一樣盡可能多地對單個系統進行深度分析。通過大量的努力，或許還需要發現更多激烈重複源和激進的獨立FRB，科學家們可能很快就能解開FRB的形成之謎，並為研究這種未充斥在整個宇宙中的高能、短期天體物理現象，打開一扇嶄新的窗口。
參考鏈接：
Li， D。， Wang， P。， Zhu， W.W。 et al。 A bimodal burst energy distribution of a repeating fast radio burst source。 Nature598， 267–271 （2021）。https：//doi.org/10.1038/s41586-021-03878-5
http://english.nao.cas.cn/focus/202110/t20211014_284773.html
