破译来自宇宙深处的神秘电波 | 赛先生天文-资讯-知识分子

破译来自宇宙深处的神秘电波 | 赛先生天文

2019/01/16
导读
没有外星人什么事情

(图源:Jingchuan Yu, Beijing Planetarium)


2019年1月10日,快速射电暴成为了不折不扣的“网红”,当晚就上了微博热搜。对广大吃瓜群众来说,这件事情既新奇又有点摸不着头脑,总之就是不明觉厉。快速射电暴到底是什么?是否真的和外星人有关系?


撰文 | 邓灿敏 吴雪峰

编辑 | 金庄维


北京时间2019年1月10日,星期四,一个平常不过的日子。作为天文工作者,我们日常工作的第一件事就是查看当天天文界有什么新发现和新进展。等待已久的“惊喜”终于到来,英国《自然》(Nature)杂志在线加急发表了“加拿大氢强度测绘实验” (英文缩写CHIME)项目组利用射电望远镜观测快速射电暴的最新结果


相关结果分为两篇文章,在同一期的Nature上发表,这是比较罕见的。毋庸置疑,从学术角度看,他们的发现至关重要。之所以说是等待已久的惊喜,是因为一个半月前CHIME项目组已经在一次学术会议上大概报道了他们的新发现。


不过,令人意外的是,当天国内外各大媒体炸锅了,快速射电暴竟成为了不折不扣的“网红”——各大网站都在转载报道类似内容:“科学家发现宇宙深处神秘电波……”,很多报道将这些“神秘电波”与外星人联系在一起,关键词当晚就上了微博热搜。而这波刷屏的始作俑者,很可能是当天英国《卫报》的报道(如图1)


图1. 英国《卫报》报道发现宇宙深处神秘射电信号(图源:theguardian.com)


对广大吃瓜群众来说,这件事情既新奇又有点摸不着头脑,总之就是不明觉厉。快速射电暴到底是什么?是否真的和外星人有关系?本文从专业的角度来回答这些问题。


快速射电暴的发现

快速射电暴(Fast Radio Burst,简称FRB)是发生在宇宙深处的短暂的强射电脉冲信号。“快速”指信号的持续时间短,一般只有若干毫秒。“射电”指信号发生的波段,目前发现的FRB都是在100 MHz量级到10 GHz量级的频段。“暴”是爆发现象的名词,指信号突然出现且强度极大。


快速射电暴的命名采取FRB+信号记录日期的形式。比如,2012年11月2日,望远镜记录到了一个快速射电暴的信号,那么这个快速射电暴就被命名为FRB 121102。


目前,加上CHIME项目组发现的13个快速射电暴,已经公布的至少有79个快速射电暴。每个快速射电暴都处在不同的方向上,距离也不同——最近的有10亿光年左右,最远的可能达到116亿光年(本文中提到的快速射电暴与地球的距离,全部指的是光行距离,即光子传播时间乘以光速)。其中,只有两个有重复爆发现象。这两个重复暴分别是美国阿雷西博射电望远镜发现的FRB 121102,以及这次被加拿大CHIME射电望远镜发现的FRB 180814.J0422+73(J0422+73表示这个源在天空中的位置)。


快速射电暴的发现要从2007年说起。现为美国西弗吉尼亚大学教授Duncan Lorimer当时和他的合作者,在分析早已入库归档的澳大利亚64米射电望远镜Parkes(帕克斯)观测数据的时候,意外地发现2001年7月24日记录了一个神秘又短暂的强射电脉冲信号。这个发现于2007发表在美国《科学》(Science)杂志上[1]


图2. 第一个被发现的快速射电暴FRB 010724(图源:参考资料[1])


该信号的神秘之处有三:第一,信号极强且短暂,持续时间不到几毫秒;第二,在归档的数据中,他们只找到了这一例特别的信号,似乎是一个偶然事件;第三,根据信号从产生地到接受设备的路径上的等离子体色散效应推算,这个信号可能发生在宇宙深处(距离地球大约在15到38亿光年之间),因此信号的能量巨大,粗略估计有1033焦耳。


这样一个信号,相当于把太阳一个月所释放的能量集中在1—1.7 GHz的窄小频段上,并在不到几毫秒的时间内全部释放完毕,辐射的亮温度达到1034度以上——温度达到一百亿亿亿亿摄氏度的发热物体才能与之相比。如果用激光器产生这样的信号,功率需要达到一万亿亿亿亿瓦特(1036瓦特)。作为对比,美军最厉害的激光武器的功率也不过区区一百万瓦,比这个信号低了整整30个量级。


那么如此恐怖的射电信号,在科学上能解释吗?对于天文学家而言,宇宙之大无奇不有。他们发现,这种信号很可能与脉冲星有关。理由有二:第一,脉冲星发射的射电脉冲也很强大,亮温度可以达到1024度,如果存在一类超强的脉冲星,也许可以产生这种超强的射电脉冲;第二,脉冲星的直径大约有30公里左右,而电磁波的传播速度(光速)是每秒30万公里,因此信号如果从脉冲星表面爆发产生,它的持续时间大概在0.1毫秒,时标上与快速射电暴接近。当然这只是一种粗略的解释,如果往细了想,事情可能远不止那么简单。


图3. 澳大利亚64米单口射电望远镜帕克斯(图源:wikipedia)


由于Lorimer等人在2007年只发现了一个事例,当时不能确定这个信号一定是真实的(也可能是地球上的无线电干扰),因此这个发现并未引起天文学家们的普遍关注。


直到6年之后,即2013年,英国曼彻斯特大学的Dan Thornton与合作者在数据库中一口气又找到了4个快速射电暴[2]。这次发现的快速射电暴距离更远,最远的FRB 110703距离地球大约70多亿光年。令人惊奇的是,这四个快速射电暴和2007年发现的FRB 010724非常相似——射电脉冲的持续时间在毫秒量级,能量在10311033焦耳,亮温度也在1034度以上。


这次发现可谓意义重大,因为它极大程度地排除了假信号的可能,说明快速射电暴是真实存在的,我们到了必须要重视它们的时候了。Thornton等人的观测结果也发表在了Science杂志上,并且他们在文章里正式地把这种射电脉冲信号命名为快速射电暴,就此开创了一个全新的天体物理研究分支。


图4. 2013年发现的四个快速射电暴(图源:参考资料[2])


如何解释快速射电暴?

快速射电暴存在的真实性一经确认,便引起了广泛关注。作为一种非常极端的射电爆发现象,人类目前所掌握的科学知识能对它进行解释吗?回答是,能。不但能,在过去的几年内,天体物理学家们提出了几十种理论模型来解释快速射电暴,曾经有一段时间,理论模型的数量比观测到的快速射电暴数量还要多。


主流的理论模型有年轻脉冲星和磁星的活动、中子星塌缩成黑洞、以及双致密星的碰撞(致密星包括黑洞、中子星和白矮星)等等。不过,真相可能只有一个。遗憾的是,由于快速射电暴的持续时间太短,加上望远镜的定位精度往往不足够高,所以我们所知道的只有一瞬间的脉冲,而不知道它们分别来自哪些星系,以及它们有没有其他波段(如可见光)的辐射。因此,目前还不能确定哪个理论模型才是最后的真相


正当天文学家们无比绝望之时,早在2014年被发现的一个快速射电暴FRB 121102, 在2015年被意外地发现重复爆发了10次[3]这10次重复爆发,可帮了天文学家大忙了。


首先,单就可重复性这个特征,双致密星碰撞是很难解释的,因为这类碰撞是一次性灾变事件,除非重复的快速射电暴是由碰撞产物产生的。此外,多次爆发给精确定位快速射电暴提供了机会。果然,这个暴的精确位置被找到[4],光学望远镜随后跟进,发现了这个快速射电暴处在一个矮星系(矮星系指亮度较暗、质量较小的星系)中[5],而且正好处在恒星形成比较活跃的区域(暗示可能与大质量恒星的死亡有关)。对星系的光学光谱观测发现,该星系光谱的红移为0.19,由此推算出它距离我们有23亿光年。这是首次(也是目前为止唯一一次)从观测上直接证实快速射电暴起源于银河系外的遥远宇宙深处。


令人意外的是,研究人员在这个快速射电暴的周围还发现有比较弱的稳定存在的射电辐射区域。巧合的是,这种稳定的射电辐射跟脉冲星云和活动星系核的射电辐射有些类似。此外,通过偏振观测发现,这个重复暴周围环境的磁场非常的强[6],跟磁星(表面磁场特别强的中子星)和银河系中心附近的脉冲星类似,比其他快速射电暴要高成千上万倍。种种迹象使得天文学家相信,至少这一个重复的快速射电暴是与年轻脉冲星或磁星的活动密切相关的。


图5. FRB 121102所处星系的光学成像(图源:参考资料[5])


在2019年1月CHIME项目组公布发现之前,研究人员总共发现了66个快速射电暴,其中只有FRB 121102是重复爆发的。这进而引发一些争论,重复暴是特例吗?重复暴和非重复暴是否在本质上是不同的?


一种观点认为,重复暴和非重复暴本质上是相同的,那些非重复暴之所以看不到它重复爆发,要么是因为重复爆发周期太长,要么是重复爆发能量太小导致我们探测不到。另一种观点则认为,它们本质上可能不同,重复爆发周期太长或重复爆发能量太弱不足以解释只观测到一个重复暴的事实。目前,这种争论还在持续,科学界内部难以达成共识,还有待更多的观测进行佐证。


CHIME本次发现的科学意义是什么?

2019年甫一开始,快速射电暴的故事就由于CHIME的新发现变得愈发精彩。CHIME是“加拿大氢强度测绘实验”项目射电望远镜的简称,它由4个20米X100米的半圆柱形反射面组成,观测视场不低于200平方度[7]。作为对比,澳大利亚的64米Parkes望远镜观测视场只有1平方度左右。因此,可以预期CHIME对快速射电暴的观测效率会非常高。


图6. CHIME射电望远镜(图源:参考资料[7])


不出所料,CHIME在2018年7月至8月调试期试运行了3周时间,就探测到了13个快速射电暴[8],其中有一个重复暴FRB 180814.J0422+73[9]。那么本次发现有何科学意义呢?


我们认为,CHIME此次发现有两个重大意义:第一,此前天文学家推测在几百兆赫兹的频段很可能看不到快速射电暴,但CHIME的观测频段低至400兆赫兹,依然能够探测到快速射电暴,这刷新了科学家对快速射电暴的认识;第二,发现了一个重复暴,结束了之前只有一个重复暴的尴尬局面,说明重复暴可能是普遍存在的,而且在将来很可能会观测到更多事例。第二个重复暴的发现将会对前文提到的重复暴与非重复暴的起源之争产生重要影响,对探索快速射电暴的物理本质起到重要的推动作用。CHIME团队也根据这两点意义,把观测结果分为了两篇论文,同时在Nature上在线发表。此外,此次发现验证了CHIME对快速射电暴超高的探测效率,使得快速射电暴在宇宙学研究上的应用在不久将来很有可能得以实现。


和外星人有什么关系?

大家发现没有,故事说到这里根本没有外星人什么事情,快速射电暴就是还未弄清楚物理起源的一类新的天文现象而已嘛!


至于网上关于快速射电暴来自外星人的传言被迅速传播且刷屏,我们认为有如下几个原因:第一,整个人类自进入现代科技时代以来,对外星人有极大的兴趣,目前国际上确实有一些团队在开展搜寻外星文明信号的任务。我们人类自己的电讯通信通常使用的是无线电波(射电波段),因此认为外星人也是用无线电波来与宇宙其它生命进行通讯。对比可见光、X射线甚至伽玛射线这些较高能量的电磁波,无线电波确实也更适合用于远距离通讯。


当我们从遥远宇宙中接收到一些未知的无线电信号的时候,大众比较容易想到会不会是外星人发射的信号。历史上有一个有名的例子,就是射电脉冲星的发现。当时还是研究生的约瑟琳·贝尔在1967年观测到一个来自外太空的周期性重复的无线电信号,因为曾经有人认为这很可能是外星人在跟我们通讯而轰动一时,并把这个信号命名为“小绿人1号”。然而,我们现在知道那其实是一颗脉冲星在发射射电辐射。


第二,个别媒体(如前所述的英国《卫报》)在哗众取宠博点击量,竟把一次科学发现报道成了八卦新闻。另一方面,严谨的科学家们在答记者问时,一般不会把还没有标准解释的科学问题板上钉钉地说死,毕竟目前快速射电暴的物理起源还没有定论。


由于快速射电暴首先是一种宇宙深处的射电信号,因此自然有好奇之人产生联想,把它跟外星人联系在一起。退一万步说,假设这些信号是外星人发出的,就像前文提到他们发射器功率需要达到一万亿亿亿亿瓦特(1036瓦特)。据有关统计,2017年全球发电总功率大约有三万亿瓦特。是什么样的外星人会拥有如此恐怖的发射器?


还有,根据目前的探测率推算,宇宙中每天会发生成千上万次快速射电暴事件。目前已经探测到的这79个快速射电暴在天空中的方向和距离都不一样,难道整个宇宙的各个角落都遍布着这样的外星人,他们的科技文明达到了匪夷所思、突破人类物理学规律认知的程度,而且相隔遥远的他们都在给我们发射相似的信号?


以史为鉴

目前快速射电暴研究的发展轨迹,和上世纪八九十年代的伽玛射线暴非常类似,科学界当时对伽玛射线暴的物理起源也是众说纷纭。


伽玛射线暴与快速射电暴非常类似,都是来自宇宙深处、持续时标短暂、爆发光度极高的天文现象,而且两者都可以大致分为两类,每一类的起源都不同。


由于伽玛射线暴在短短的几秒到几十秒之后就结束爆发,在1997年之前所有探测设备都无法对其进行精确定位。精确定位非常重要,可以帮助发现伽玛射线暴在X射线、光学、射电等其他波段的辐射,从而帮助揭开起源之谜。1997年和2005年,天文学家通过精确定位,分别首次探测到长时标(大于2秒)伽玛暴和短时标(短于2秒)伽玛暴在其它低能波段的余辉,接着在2003年和2017年,天文学家终于分别获得明确观测证据,确定了伽玛射线暴的物理起源:长时标伽玛暴起源于大质量恒星的坍缩死亡,而短时标伽玛暴则起源于两颗中子星或中子星与黑洞的碰撞、并合过程。


对比伽玛射线暴的研究历程,结合目前多波段、多信使时域天文领域的快速发展,我们有理由相信,未来随着观测的深入,无论是重复的快速射电暴还是非重复的快速射电暴,它们的物理起源都将被一一揭示。特别是,未来5-10年中很多空间和地面大视场时域巡天项目(卫星、望远镜)的投入运行,重复的快速射电暴的物理起源将被首先揭示。


作者简介

邓灿敏,中国科学院紫金山天文台博士研究生,研究方向是快速射电暴的起源。

吴雪峰,中国科学院紫金山天文台研究员,研究领域是高能天体物理、时域天文等。


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参考资料

[1].“A Bright Millisecond Radio Burst of Extragalactic Origin”,Lorimer, D. R.; Bailes, M.; McLaughlin, M. A., et al. , Science 318, 777 (2007)

[2].“A Population of Fast Radio Bursts at Cosmological Distances”,Thornton, D.; Stappers, B.; Bailes, M., et al. , Science 341, 53 (2013)

[3].“A repeating fast radio burst”,Spitler, L. G.; Scholz, P.; Hessels, J. W. T., et al. , Nature 531, 202 (2016)

[4].“A direct localization of a fast radio burst and its host”,Chatterjee, S.; Law, C. J.; Wharton, R. S., et al. , Nature 541, 58 (2017)

[5].“The Host Galaxy and Redshift of the Repeating Fast Radio Burst FRB 121102”,Tendulkar, S. P.; Bassa, C. G.; Cordes, J. M., et al. , ApJ Letters 834, 7 (2017)

[6].“An extreme magneto-ionic environment associated with the fast radio burst source FRB 121102”,Michilli, D.; Seymour, A.; Hessels, J. W. T., et al. , Nature 553, 182 (2018)

[7].“The CHIME Fast Radio Burst Project: System Overview”,CHIME/FRB Collaboration. , ApJ 863, 48 (2018)

[8].“Observations of fast radio bursts at frequencies down to 400 megahertz”,CHIME/FRB Collaboration. , Nature (2019), https://doi.org/10.1038/s41586-018-0867-7

[9].“A second source of repeating fast radio bursts”,CHIME/FRB Collaboration. , Nature (2019),  https://doi.org/10.1038/s41586-018-0864-x

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