快速射电暴(FRB)是我们宇宙中最大的谜团之一。来自深空的这些爆发可以在几毫秒内闪烁和消退,但在每种情况下都可以释放出与太阳一年一样多的能量。它们每天在天空中出现多次,但大多数似乎是一次性事件,因此很难被捕捉到。 FRB 于 2007 年首次被发现,它挑战并吸引了寻求揭开其神秘起源并将其用作探测星际空间深度的独特工具的科学家。

现在,使用世界上最大的单面射电望远镜,一个国际团队报告了历史上探测到的最大的一组 FRB 事件。根据 他们的论文 出版于 自然 今天,在 2019 年 8 月至 10 月期间,位于中国西南部的五百米口径球面射电望远镜 (FAST) 总共记录了 1,652 次来自 30 亿光年外矮星系中单个重复 FRB 源的短暂而明亮的爆发。除了显着增加已知 FRB 事件的总数外,观测还揭示了记录事件中非常广泛的亮度范围,提供了有关其神秘来源的天体物理性质的新线索。

来自荷兰阿姆斯特丹大学和加拿大麦吉尔大学的天体物理学家 Emily Petroff 说:“这项研究非常彻底,具有我们以前从未有过的细节和敏感性。”她没有参与这项研究。 “在不久的将来,对单个来源的这种深入分析将成为 FRB 研究的重中之重。”

一连串的爆发

第一批 FRB 像晴朗天空中的霹雳一样袭击了天体物理学家;没有任何理论预测过它们的存在。早期,研究人员对爆发可能是什么一无所知,并争先恐后地提出想法。对 FRB 的解释范围很广,从旋转中子星时的巨大磁爆发到跳星的外星飞船的排放。有一段时间——无论如何,在 FAST 和其他搜寻 FRB 的望远镜开始运行之前——理论家之间流传的笑话是 FRB 理论的数量超过了已知的 FRB 事件本身。

直到 2016 年,观察者才探测到第一个重复源,名为 FRB 121102。从不断扩大的探测目录中得出的统计数据现在表明,大约 20% 的 FRB 发生不止一次,而这些重复源使天文学家能够制造更多详细的后续观察。 FRB 121102 是迄今为止研究得最好的此类源。在 FAST 的新事件母脉之前,科学家使用其他射电望远镜报告了来自该源的近 350 个 FRB,该源位于一个星系中,许多年轻恒星正在形成。 “使用重复源,其他望远镜通常会得到两到一百个脉冲。 FAST 做了一千多个,这太棒了,”Petroff 说。

该论文的第一作者兼 FAST 的首席科学家 Di Li 说,由于 FAST 前所未有的灵敏度,它可以捕捉到其他望远镜无法捕捉到的能量较低的脉冲。当该团队在望远镜调试阶段进行测试观测时,他们注意到 FRB 121102 处于活动狂潮中,经常发出明亮的脉冲。因此,他们决定每天抽出大约一个小时来监视它。结果证明,爆发的强度比预期的要大得多。在某些剧集中,大约每 30 秒就有一个。

爆发分为两种类型:一种是高亮度的,另一种是低亮度的。研究合著者、西弗吉尼亚大学的邓肯·洛里默 (Duncan Lorimer) 于 2007 年共同发现了第一个 FRB,他说,这可能表明导致爆发的两种不同的物理机制。

然而,目前尚不清楚这些机制是什么。即便如此,由于脉冲集合表现出如此高的能量并且没有表现出任何短期周期性(这表明源以设定的速度自旋或轨道运行),李认为他和他的合作者已经严重限制了这种可能性FRB 121102 来自一个孤立的致密物体,例如旋转中子星或黑洞。

其他人对得出同样的结论犹豫不决。例如,来自合肥中国科学技术大学的理论物理学家戴子高说,FRB 121102的来源仍然可能是磁星,一种具有极强表面磁场的特殊类型中子星。当磁星的外层在恒星磁场突然变化引起的压力下进行调整时,磁星会经历“星震”。就像地球上的地震可以由不同的机制触发,例如构造板块的运动或小行星的撞击,“例如,磁星仍然有可能穿过星震并经常被周围的小行星撞击。它也是——银河系 [FRB 121102] 中可能存在的一个场景,”戴解释说。

FAST 轨道上的 FRB

“FAST 非常擅长这样的研究——对重复来源的深入分析,”洛里默说。虽然它不是特别擅长寻找 FRB,但其巨大的灵敏度使其能够探测到其他望远镜无法发现的东西。这就是为什么对于 FRB 研究,FAST 与其他射电望远镜配合使用效果最佳,例如加拿大氢强度测绘实验 (CHIME),由于其广阔的视野,它是在头顶天空中任何地方发现 FRB 的强大动力。

今年早些时候,FAST 宣布了第二次公开征集建议,将望远镜总观测时间的 15% 至 20% 提供给国际社会。 FAST 于 2016 年完成,取代波多黎各标志性的阿雷西博望远镜成为世界上最大的单碟射电望远镜。

Petroff 是 CHIME/FRB 合作的成员,她说她的团队现在已经申请并获得了 FAST 观测时间的奖励。据李说,对已获批准的国际项目的观察已经开始。由于 COVID-19,国际旅行仍然受到限制,外国科学家目前仅限于远程操作,并且需要提交身份证明,通常是护照信息页的副本,以便访问。

“我们一直在与个别科学家合作,以减少他们的担忧并探索提交个人信息的替代方式,”李指出。 “一旦国际旅行正常化,FAST 工作人员热烈欢迎他们前来参观,希望很快。”

激进期货

李说,FAST 将继续监测 FRB 121102,同时调查其他重复来源。事实上,他戏弄道,他的团队一直在研究另一个尚未公开的来源,它的行为比 FRB 121102“更激进”。戴说,研究普通和“激进”的 FRB 系统,对于理解 FRB 什么是可能的,什么是不可能的,以及它们的真实性质必须是什么至关重要。他和其他专家说,要取得进一步的突破,可能需要全球多个望远镜的协同努力,对许多不同类型的天光以及中微子和引力波进行观测。

“我认为 FRB 天文学仍处于青春期,”洛里默说。 “我们对 FRB 了解很多,但许多理论仍然存在许多‘成长的烦恼’。”下一步是继续为尽可能多的来源确定家庭星系,像李和他的团队使用 FAST 所做的那样,对单个系统进行深入分析。通过相当大的努力,也许还有一点运气,找到更多疯狂的中继器和激进的一次性 FRB,科学家们可能很快就会解开 FRB 的深奥宇宙之谜,并为高能、短命的天体物理现象打开一扇新窗口充满宇宙。