那是2015年11月5日，當(dāng)時是加拿大蒙特利爾麥吉爾大學(xué)(McGill University)研究生的肖爾茲(Scholz)花了數(shù)年時間從世界上最大的射電望遠(yuǎn)鏡中搜尋數(shù)據(jù)。從電腦屏幕上向后看，是一排排彎彎曲曲的線條，每一條都可能在夜空中閃現(xiàn)。突然，肖爾茲意識到其中一個看起來很眼熟。來自遙遠(yuǎn)星系的毫秒無線電波脈沖，強(qiáng)度為5億太陽，這已經(jīng)不是第一次了。
紐約康奈爾大學(xué)(Cornell University)的天文學(xué)家沙米·查特吉(Shami Chatterjee)說：“很明顯，這是一件非常重要的事情?！痹诘谝淮伟l(fā)現(xiàn)這些被稱為快速射電爆發(fā)(FRBs)的信號之后的十年里，我們不知道是什么會產(chǎn)生這些信號。存在各種各樣的想法，從碰撞的中子星到將自己從里向外翻轉(zhuǎn)的黑洞，再到來自外星航天器的激光。直到幾個月前，我們的想法比我們實(shí)際檢測的要多。
然而，尋找快速射電爆發(fā)來源的工作一直進(jìn)展迅速，新的線索指向了一名不尋常的嫌疑物體，最新的射電望遠(yuǎn)鏡預(yù)示著新的線索。即使沒有很快確定確切的原因，這些神秘的爆炸仍然有助于照亮宇宙，讓我們一瞥隱藏在宇宙最黑暗、最遙遠(yuǎn)的空間中的東西。
快速射電爆發(fā)并不罕見。他們一直從四面八方向我們傾瀉而下。我們只是一直在與它擦肩而過，因?yàn)樗鼈儙缀跻怀霈F(xiàn)就消失了。2007年，西弗吉尼亞大學(xué)的鄧肯·洛里默（Duncan Lorimer）和學(xué)生大衛(wèi)·納基維奇（David Narkevic）第一個找到了這樣的快速射電爆。這兩個人正在搜索存檔的射電望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)，這時他們看到一個奇怪的信號，他們尋找到一種完全不同的現(xiàn)象--脈沖星的旋轉(zhuǎn)恒星。
據(jù)估計，持續(xù)不到5毫秒的洛里默爆發(fā)（即快速射電爆發(fā)）釋放的能量相當(dāng)于太陽在一個月內(nèi)噴出的能量。這并不是這個信號唯一奇怪的地方。它的高頻波比它的低頻波早一秒到達(dá)，這使它呈現(xiàn)出一種奇怪的模糊外觀，就像從棱鏡中射出的彩虹一樣。
由電子和其他粒子的光散射引起的這種拖尾被稱為色散。你測量得越多，無線電信號通過的物質(zhì)就越多，傳播的距離也就越遠(yuǎn)。它本質(zhì)上是一個內(nèi)置的距離標(biāo)記。根據(jù)對他們信號的色散測量，洛里默和他的同事估計它是從幾十億光年外的一個星系到達(dá)的。
神秘起源
快速射電爆發(fā)(FRBs)的神秘空間信號可能來自何處，有五種理論：
宇宙碎片:雖然重量級天體之間的碰撞不能解釋重復(fù)的快速射電爆發(fā)，但一次性的事件可能追溯到此類碰撞事件。
黑洞：每個星系的中心都有一個超大質(zhì)量的黑洞。當(dāng)它們狼吞虎咽地吞食氣體和塵埃時，有時會發(fā)射出輻射束，這些輻射束可以與粒子相互作用產(chǎn)生快速射電爆發(fā)。
彗星失落：一顆被體積小而密度極高的恒星吸引住的彗星，可能會分裂并發(fā)出無線電波。
外星人：一些理論家認(rèn)為，快速射電爆發(fā)可能是用來為外星飛船上的光帆提供動力的射電光束的結(jié)果。
白洞：如果黑洞最終從內(nèi)向外旋轉(zhuǎn)，噴出物質(zhì)而不是吸收物質(zhì)，它們可能會以一種產(chǎn)生快速射電爆發(fā)的方式釋放被捕獲的物質(zhì)。
這個信號是如此的強(qiáng)大，而且顯然是經(jīng)過了很好的傳播，以至于許多天文學(xué)家很難相信它是真的。但是在過去的12年里，射電望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)探測到了更多的快速射電爆發(fā)，所有這些快速射電爆發(fā)的色散測量都表明了銀河系外起源。然而，對于是什么產(chǎn)生了它們，人們幾乎沒有達(dá)成共識。
荷蘭射電天文學(xué)研究所(ASTRON)的天文學(xué)家艾米莉·彼得羅夫(Emily Petroff)說：“像這樣的神秘現(xiàn)象很少見。這些東西是如此短暫，似乎來自如此遙遠(yuǎn)的地方，它們背后的引擎一定是我們銀河系中無法比擬的東西。不管它是什么，我們以前從來沒有見過這樣的東西?！?/p>
由于可供借鑒的例子如此之少，我們所能知道的只有這么多。雖然色散為你提供了距離的粗略估計，但它不允許你精確定位宿主星系。這就是為什么肖爾茲在2015年的發(fā)現(xiàn)如此重要。有了重復(fù)信號，你就可以用更高分辨率的望遠(yuǎn)鏡回到原來的位置，并更準(zhǔn)確地確定源的位置。
這就是查特吉和他的同事在肖爾茲發(fā)送的電子郵件之后所做的事情，肖爾茲現(xiàn)在在加拿大彭蒂克頓附近的多米尼加射電天體物理天文臺工作。在說服新墨西哥州的超大型陣列射電望遠(yuǎn)鏡給他們觀測時間后，他們標(biāo)出了相關(guān)的天空區(qū)域。在長達(dá)100個小時的大部分時間里，他們一直在觀望，等待著，什么也看不見。然后閃現(xiàn)！又來了，同一地點(diǎn)的另一個信號。
這是以天文學(xué)家勞拉·斯皮特勒(Laura Spitler)的名字命名的斯皮特勒爆發(fā)，勞拉于2012年11月2日第一次看到了它。它的正式名稱是FRB121102。自從四年前開始對它進(jìn)行定期監(jiān)測以來，它已經(jīng)出現(xiàn)了數(shù)百次。它爆發(fā)的時間似乎是隨機(jī)的。即便如此，天文學(xué)家仍能利用它們來找出這些信號的來源。正如查特吉和其他人在2017年1月報告的那樣，它們來自一個距離地球約30億光年的矮星系。
一年后，阿姆斯特丹大學(xué)的杰森·赫塞爾斯(Jason Hessels)和他的同事們更仔細(xì)地觀察了重復(fù)信號的無線電波在太空中傳播時的扭曲方式，從而得到了更多關(guān)于它真實(shí)性質(zhì)的線索。這種效應(yīng)被稱為法拉第旋轉(zhuǎn)，是由磁場引起的。起初他們什么也沒找到。但是，當(dāng)他們擴(kuò)大搜索范圍以尋找更極端的影響時，他們發(fā)現(xiàn)：FRB121102的自轉(zhuǎn)尺度如此之大，這表明它涉及的磁場比我們銀河系中的任何磁場都要強(qiáng)許多倍，包括位于其中心的超大質(zhì)量黑洞。
天文學(xué)家們現(xiàn)在正注視著常規(guī)的嫌疑物體，包括令人難以置信的強(qiáng)大的黑洞。但是沒有辦法知道他們中的哪一個能夠產(chǎn)生這種現(xiàn)象，或者他們是不是共同協(xié)作產(chǎn)生快速射電爆發(fā)的。還有一個令人費(fèi)解的疑問，那就是快速射電爆發(fā)所遇到的極端磁場可能來自于它們到達(dá)我們的途中的某種東西，而不是它們的起源就有的。
即使斯皮特勒爆發(fā)一次又一次地爆發(fā)，仍然沒有足夠的新發(fā)現(xiàn)。因此，2019年初，當(dāng)一種名為“加拿大氫強(qiáng)度映射實(shí)驗(yàn)”(CHIME)的新型望遠(yuǎn)鏡被宣布發(fā)現(xiàn)新的線索時，全世界的天文學(xué)家都興奮不已。
CHIME被設(shè)計用來繪制早期宇宙中氫氣體的三維地圖，這些氣體在無線電頻率下發(fā)出微弱的光。當(dāng)它建在彭蒂克頓附近的一個樹木叢生的山谷中時，快速射電爆發(fā)追蹤者意識到，它也將是狩獵他們的獵物的最佳選擇。
CHIME與眾不同的是它廣闊的視野。大多數(shù)射電望遠(yuǎn)鏡研究天空的一小部分，而這臺望遠(yuǎn)鏡每天掃描整個北半天球。這就產(chǎn)生了前所未有的數(shù)據(jù)，如果沒有尖端算法的幫助，就不可能篩選出這樣的數(shù)據(jù)。
2018年夏天，這架望遠(yuǎn)鏡處于試運(yùn)行階段，這意味著它還沒有完全投入使用。組件仍在安裝中，系統(tǒng)的運(yùn)行能力僅為其設(shè)計能力的一小部分。因此，快速射電爆發(fā)出現(xiàn)時，每個人都感到驚訝。
2019年初，麥吉爾大學(xué)(McGill University)的維多利亞·卡斯皮(Victoria Kaspi)說：“我們跟蹤我們所看到的，然后有人注意到有兩個在同一個位置。我們有了第二個重復(fù)信號。
名為FRB180814的新的重復(fù)信號表明，第一個重復(fù)信號不是僥幸?？紤]到我們在第一批CIME檢測到的爆震中發(fā)現(xiàn)了另一種情況，重復(fù)信號甚至可能是很常見的。
然而，更重要的是，這兩種信號之間有著驚人的相似之處。每個探測器都有一系列的子脈沖，當(dāng)它們通過探測器時，這些子脈沖從更高的頻率向更低的頻率移動。這種下降是如此相似，以至于當(dāng)CHIME研究人員在最近的一次會議上介紹他們的結(jié)果時，他們認(rèn)為他們看到的是錯誤的信號。
這種相似性使得赫塞爾斯探測到的高磁場更有可能是快速射電爆發(fā)起源的產(chǎn)物，而不是在它們所經(jīng)歷的旅程中產(chǎn)生的。
不可思議的磁性
一些理論家認(rèn)為快速射電爆發(fā)是由高強(qiáng)度磁場產(chǎn)生的。它直接指向一類被稱為磁星的中子星，其磁場強(qiáng)度是地球磁場強(qiáng)度的數(shù)百萬億倍。
地球磁場：0.5高斯。
商用磁鐵：100高斯。
磁共振成像儀：70，000高斯。
最強(qiáng)人造磁體：10，000，000高斯。
典型中子星：1，000，000，000，000高斯。
磁星：1，000，000，000，000，000高斯。
目前，這一起源的主要懷疑對象是磁星，年輕的中子星是宇宙中最強(qiáng)大的磁體，產(chǎn)生的磁場比地球的強(qiáng)數(shù)百萬倍。它們噴出電子和其他帶電粒子，積累了巨大的軌道碎片云。根據(jù)紐約哥倫比亞大學(xué)的布瑞恩·梅茨格（Brian Metzger）和他的同事開發(fā)的一個模型。當(dāng)每一次新耀斑中的物質(zhì)與高度磁化的云發(fā)生碰撞時，沖擊波就會在云的外緣激發(fā)電子，從而產(chǎn)生短暫的無線電波閃爍。
這種情況不僅會產(chǎn)生像我們所見過的那樣隨機(jī)定時的重復(fù)爆發(fā)，還可以解釋個別信號中出現(xiàn)的明顯的下移現(xiàn)象。梅茨格說：“隨著每一次沖擊波的減速，我們看到的無線電信號就會轉(zhuǎn)移到更低的頻率上?！?/p>
但還有更多。我們還沒有針對第二個重復(fù)信號旋轉(zhuǎn)測量，但是第一個重復(fù)信號高得離譜的讀數(shù)與磁星理論非常吻合。綜上所述，這正推動著許多研究人員朝著同一個方向前進(jìn)。
盡管大多數(shù)人認(rèn)為重復(fù)的快速射電爆發(fā)的子結(jié)構(gòu)告訴了我們一些關(guān)于發(fā)射機(jī)制的信息，但其他人仍然認(rèn)為這可能是爆炸穿越宇宙時穿過的物質(zhì)造成的。也有可能有幾個來源，一次性爆發(fā)與重復(fù)信號有不同的來源。彼得羅夫說：“人們越來越接受這樣一種觀點(diǎn)，即不需要一個理論解釋所有東西?！?/p>
無論如何，磁星模型的好處在于它可以進(jìn)行觀測預(yù)測。首先，我們在未來看到的任何快速射電爆發(fā)都應(yīng)該具有相同的頻率下移模式。其次，它們應(yīng)該來自那些已知能產(chǎn)生大量年輕恒星和新磁星的星系。查特吉說：“如果我們觀察這些地方，并不斷地發(fā)現(xiàn)快速射電爆發(fā)，這將給我們信心?！?/p>
我們現(xiàn)在需要的是更多的爆發(fā).一旦它在今年正常運(yùn)行，“CHIME”應(yīng)該每天能看到幾個。還有澳大利亞平方公里陣列，這是一個由36個無線電天線組成的網(wǎng)絡(luò)，能夠精確定位宿主星系，即使是一次性的快速射電爆發(fā)。查特吉說：“快速射電爆發(fā)的搜索正在進(jìn)入一個新的階段。這將是驚人的?！?/p>
但故事不會就此結(jié)束。如果我們能夠收集足夠大的樣本，希望快速射電爆發(fā)能夠回答一些關(guān)于宇宙歷史和結(jié)構(gòu)的有趣的基本問題。
其中之一就是所謂的失蹤重子問題（宇宙明顯缺少一大塊普通物質(zhì)）。它們是由被稱為重子的粒子組成，這個物質(zhì)應(yīng)該占宇宙的5%。剩下的是暗物質(zhì)和暗能量。但到目前為止，我們只發(fā)現(xiàn)了其中的一半。大多數(shù)人認(rèn)為其余的都藏在星系之間廣闊的空曠空間里。問題是，我們沒有足夠敏感的儀器來探測這些空洞，特別是因?yàn)樗鼈兯臇|西必須是極其微小的。但是因?yàn)榭焖偕潆姳l(fā)在穿越太空的過程中穿越了宇宙中最黑暗的角落，他們應(yīng)該能夠作為探索這些神秘的宇宙空隙的探測器。
這就是射電爆發(fā)的美妙之處。通過對它們所通過的介質(zhì)的信息進(jìn)行編碼，它們可以幫助我們計算出這些空隙包含多少普通物質(zhì)，這是其他探測器無法進(jìn)行的測量。西澳大利亞珀斯柯爾丁大學(xué)的吉恩·皮埃爾·麥克夸特（Jean-Pierre Macquart）說：“對星系間介質(zhì)重離子分布的診斷將是快速射電爆發(fā)科學(xué)的基礎(chǔ)?！?/p>
同樣誘人的是，對快速射電爆發(fā)扭曲無線電波的詳細(xì)研究將告訴我們遙遠(yuǎn)宇宙空隙中磁場的強(qiáng)度，這一前景同樣誘人。目前，我們對這些領(lǐng)域的知識幾乎為零。精確的測量可以告訴我們它們是否存在于宇宙最早的時刻，如果存在，它們在形成過程中起了什么作用。意大利博洛尼亞大學(xué)(University Of Bologna)的佛朗哥·瓦扎(Franco Vazza)表示：“如果我們能夠證明，在大爆炸之后的這段膨脹時期，磁場就在那里，那么它們一定會成為任何宇宙學(xué)理論的重要組成部分。”
并不是說這樣的測量將是微不足道的。快速射電爆發(fā)是由一個令人難以置信的強(qiáng)大的宇宙物體產(chǎn)生的，在它們前進(jìn)的過程中遇到了各種各樣的物質(zhì)，所有這些都有助于我們在它們到達(dá)地球時所讀到的分散和旋轉(zhuǎn)措施。挑戰(zhàn)將是如何將不同的組件分開，只有當(dāng)新一代的射電望遠(yuǎn)鏡探測到大量的快速射電爆發(fā)時，這才可能成為可能。
麥克夸特說：“這些東西已經(jīng)存在了很多年了，我們推斷每天有幾千個這樣的東西落在地球上。它們是令人驚異的宇宙奇幻小說。但即使我們永遠(yuǎn)不知道是什么在產(chǎn)生它們，它們也給了我們一種全新的方法來研究宇宙?，F(xiàn)在是當(dāng)天體物理學(xué)家的好時機(jī)！”
