一个信号的能量是太阳一年的80倍！宇宙想告诉我们什么？
2018/10/29二明 科学大院

    

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     近期，澳大利亚科学家宣布了一项惊人的消息：得益于越来越先进的望远镜阵列技术，他们在过去的一年里发现了20个新的快速射电暴(Fast Radio Burst，FRB)，几乎将过去十年的发现数量翻了一番!

    

     艺术家对“快速射电暴”的描绘

     图片来源：OZGRAV / SWINBURNE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

     这一批新的快速射电暴是被位于默奇森射电天文台(Murchison Radio-Astronomy Observatory)的澳大利亚平方公里阵列射电望远镜(Australia Square Kilometre Array Pathfinder，ASKAP)观测到的。

     那么，所谓的“快速射电暴”究竟是什么？它将给人类带来哪些信息？

     跋山涉水遇见人类

     大约在十年前，天体物理学家们在早已归档的帕克斯天文台脉冲星数据中发现了一个被忽视的信号——一个仅持续了几毫秒的短促而明亮的射电脉冲。这个信号的太空旅行长达数十亿年，在穿越一个个稠密的星系、飞掠星际中的气体和尘埃后逐渐减速，已不复最初的模样。

     科学家确定，这个信号既不是望远镜的故障也不是噪音，他们把它称作“快速射电暴”，是一种未知来源的高能天体物理现象，表现为平均持续几毫秒的瞬态无线电脉冲，每个快速射电暴的能量相当于80年来太阳发射出的总能量。

     自2007年首次发现的快速射电暴以来，到这次的发现“大爆发”之前，科学家只发现了34次这样的信号。外媒New Scientist曾表示，有人认为这些信号是智慧外星文明发送的——如果真这样的话，他们肯定先进得可怕，发射一个几毫秒的信号就得输出太阳80年释放的能量。

     不过，说快速射电暴来自外星文明还只是推测。目前，基于对等离子体扩散(plasma dispersion)效应的测量， 科学家只能证明快速射电暴距离我们相当遥远。快速射电暴的色散量要远远超过银河系星际介质的贡献，因此一般认为它们是河外起源甚至是宇宙起源。 近期发现这批新快速射电暴的澳大利亚天文学家瑞安·香农(Ryan Shannon)说：“利用ASKAP的宽视场、大光谱带宽和极快的测量速度，我们证明了快速射电暴来自宇宙遥远的另一边，而不是来自我们的银河附近。”

    

     YMW16预估的189个脉冲星在银河系坐标中的位置

     图片来源：http://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/835/1/29

     快速射电暴的距离对分析其起源以及与银河系的位置关系(河内源或河外源)非常重要。去年年初，中国科学院新疆天文台博士生姚菊枚曾成功构建了电子密度模型(简称YMW16)，这是第一个包含了大、小麦哲伦云和星系间介质中局部自由电子密度分布的模型，提供了关于已知和假设的快速射电暴距离估算的有用信息。相对于经过近十多年观测的其他模型，YMW16更容易发现快速射电暴，不仅提高了银河系脉冲星模型距离精度，更是快速射电暴距离估算的绝佳模型。

    

     银河之下的ASKAP

     图片来源：Alex Cherney / CSIRO

     探索未知物质，检验已有假设

     神秘的快速射电暴经过漫长的星际旅行才最终抵达地球，它能给我们带来什么信息呢？

     在快速射电暴抵达地球的时候，它所携带的信号波长不同，运动速度不同，到达地球的时间也不同。通过记录不同波长的到达时间，科学家们就能知道快速射电暴在漫长的旅途中经历过多少星际物质，利用它们探测位于星系间的空间里神秘的未知物质。

     除此之外，快速射电暴还能对爱因斯坦广义相对论中的弱等效原理(weak equivalence principle)进行检测。早在2015年的时候，中国科学院紫金山天文台“高能时域天文”团组就在《物理评论快报》上发表了关于爱因斯坦等效原理的最新检验结果。由于快速射电暴的光变曲线一般呈现简单的单脉冲特征，首席研究员吴雪峰(通讯作者)和助理研究员魏俊杰等人利用快速射电暴不同频率光子到达地球的时间差，精确验证了弱等效原理假设。

    

     三个快速射电暴观测对后牛顿参数γ差值的限制结果(γ反映了单位质量引起的空间弯曲)。任何符合爱因斯坦弱等效原理的引力理论(包括广义相对论)框架下，不同检验粒子(非带电)都会对应相同的后牛顿参数。

     图片来源：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.115.261101

     信号：我是谁？我在哪？我为何存在？

     尽管在寻找快速射电暴上的进展相当可观，但科学家们对这一现象的认识仍不比11年前深很多。“它们来自哪里、如何形成又为何存在”，这些仍是未解之谜。目前科学家只是，猜测这些“宇宙的闪光”诞生于超新星爆发后形成的黑洞或中子星。它们或许还有其他许多同伴，科学家们经估算认为，每天都约有一万个快速射电暴冲向地球(不会给对地球带来很大影响)，在消失前绽放短暂的光辉。

    

     新墨西哥超大阵列(New Mexico's Very Large Array)的射电望远镜有助于揭开快速射电暴的神秘面纱

     图片来源：Roger Ressmeyer/Corbis/VCG/Getty Images

     在本次新增的这20个快速射电暴里，包含了迄今为止发现的亮度最高的一个；但令一些科学家有些失望的是，其中并没有他们最为期待的那一类，即曾不止一次出现的那一种。

     目前有且只有一种快速射电暴被重复探测到过，以编码121102命名。2012年，人们首次观测到121102时，也认为它是独一无二的，就像其他快速射电暴一样。因为研究人员认为，快速射电暴能量巨大，它们可能会直接破坏自己的源头，也就不会有另外来自同样环境下的爆发了。但出乎大家的意料，121102的数量一路飙升(同一编号的快速射电暴只算做“一个”)，截至上个月已有近300个121102被记录(这还得感谢机器学习算法，它能检测到被经典算法遗漏的信号)。一石激起千层浪，这一令人惊讶的结果使得科学家们不得不重新思考快速射电暴的起源之说了，甚至引发了快速射电暴是否是外星文明表明自己存在性讯号的争论。

     在进一步努力研究下，121102的来源终于被追溯到距离地球约25亿光年的一个小而黯淡的星系，但它重复出现的把戏仍让科学家们摸不着头脑。

     快速射电暴的存在本身就是一种提醒(不论是善意安慰的还是令人生畏的)：宇宙中没有哪一个星体或是星系是孤岛般的存在，在星系间传递信息的可能性是存在的，并且有些星球的居民拥有观测到信息的能力。

     即使时间再过去一个十年，天体物理学家们可能还是不能对快速射电暴有更多的理解；但在这次的探测结果中，科学家或许还会有其他的奇妙发现。让我们拭目以待吧。

     参考文献:

     1.https://cosmosmagazine.com/space/astronomers-reveal-20-new-fast-radio-bursts-from-beyond-the-milky-way

     2.https://www.icrar.org/bursts/

     3.https://www.wired.com/2017/01/mystery-fast-radio-bursts-gets-beautiful/

     4.https://www.mpifr-bonn.mpg.de/pressreleases/2014/8

     5.https://www.theatlantic.com/science/archive/2018/10/fast-radio-bursts-australia/572659/

     6.http://www.sci-news.com/astronomy/new-pulses-frb-121102-06409.html

     7.https://www.nature.com/news/mysterious-cosmic-radio-blasts-traced-to-surprising-source-1.21235

     8.http://www.astron.ac.cn/bencandy-63-15091-1.htm

     9.http://www.astron.ac.cn/bencandy-63-13470-1.htm

     10.http://blog.sciencenet.cn/blog-3061-974662.html

     11.https://en.wikipedia.org/wiki/Fast_radio_burst#Further_developments

     12.https://www.newscientist.com/article/mg22630153-600-is-this-et-mystery-of-strange-radio-bursts-from-space/

    

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