這個動畫展示了快速的射電爆發(fā)在地球上出現(xiàn)和消失。(圖片鳴謝:uux.cn/t . Jarrett(IPAC/加州理工)；NRAO薩克斯頓/AUI/國家科學(xué)基金會)
（神秘的系還地球uux.cn）據(jù)美國太空網(wǎng)（羅伯特·李）：快速射電爆發(fā)——比整個星系還要亮的短暫能量爆發(fā)——仍然是個謎。以下是短暫電暴我們對FRB的了解和不了解。
快速射電爆發(fā)(FRB)是什快速射一種強烈的無線電波爆炸，可以釋放出相當(dāng)于太陽三天所釋放的比整爆能量——但時間只有千分之一秒。這些事件的個星個謎大部分仍然是神秘的。
FRB來自天空各處，系還頻率約為1400赫茲，短暫電暴盡管有些頻率低至400到800赫茲。什快速射一些科學(xué)家估計，比整爆地球上空每天會隨機出現(xiàn)10，個星個謎000個FRB。系還然而，短暫電暴大多數(shù)FRB只能持續(xù)幾毫秒，什快速射當(dāng)它們的能量到達地球時，它比從月球發(fā)射并在地球上檢測到的手機信號弱1000倍。因為這些信號如此微弱和短暫，F(xiàn)RB很難被發(fā)現(xiàn)。
因此，許多關(guān)于FRB的信息仍然是未知的。科學(xué)家們不知道到底是什么導(dǎo)致了FRB。提議的候選者包括磁星，具有強大磁場的快速旋轉(zhuǎn)中子星；融合了被稱為白矮星的暗淡致密的恒星殘骸；坍縮中子星，或稱“閃電星”；和碰撞的星系。
然而，一些關(guān)于FRB的事情是確定的。首先，它們的來源本身必須是高能量的，當(dāng)它們旅行時，這些短暫的無線電波爆炸可以收集關(guān)于宇宙環(huán)境的信息，比如它們穿過的星際氣體云。這使得研究FRB成為想要繪制宇宙地圖的天文學(xué)家們迫切關(guān)注的問題。
快速無線電突發(fā)常見問題

藝術(shù)家對快速無線電波到達地球的印象，顏色代表不同的波長。(圖片鳴謝:uux.cn/北京天文館景川余)
什么是快速無線電突發(fā)信號？
快速射電爆發(fā)是在無線電波頻率中看到的明亮而短暫的電磁輻射(光)爆發(fā)。它們通常持續(xù)千分之一秒。有些FRB會重復(fù)，但絕大多數(shù)只會發(fā)生一次，然后永遠消失。
是什么導(dǎo)致了快速射電爆發(fā)？
科學(xué)家們并不確定是什么導(dǎo)致了快速射電爆發(fā)，但他們提出了一些可能的懷疑，包括被稱為磁星的高磁性中子星，碰撞的中子星雙星，以及合并的白矮星。
快速射電爆發(fā)的威力有多大？
在它們的源頭，快速射電爆發(fā)具有很大的能量:在一毫秒內(nèi)，一些FRB可以爆發(fā)出相當(dāng)于太陽在三個地球日內(nèi)發(fā)出的能量。然而，因為它們來自數(shù)十億光年之外，F(xiàn)RB在行進中會失去能量，所以當(dāng)它們到達地球時，它們的能量要小得多。當(dāng)射電望遠鏡發(fā)現(xiàn)來自地球的FRB時，信號強度類似于來自月球的手機信號。
快速射電爆發(fā)發(fā)現(xiàn)
澳洲的巴夏禮天文臺在2001年首次探測到一個爆發(fā)自銀河系的衛(wèi)星星系小麥哲倫云的FRB。然而，這一事件直到2007年才被發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時天體物理學(xué)家鄧肯·洛里梅和他的同事在天文臺的檔案數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了它。
同年，洛里梅和他的同事在一篇論文中將FRB描述為“起源于河外的明亮毫秒射電爆發(fā)”。第一個公認的FRB后來以他的名字命名為“洛里梅爆發(fā)”,但它被正式命名為FRB 010724。洛里梅爆發(fā)持續(xù)了大約5毫秒，并且沒有重復(fù)，仍然是迄今為止探測到的最亮的FRB之一——這一點已經(jīng)通過進一步的研究得到了證實。
第二個被探測到的FRB——基恩爆發(fā)，或FRB 010621——是在2011年巴夏禮多波束脈沖星調(diào)查的數(shù)據(jù)中觀測到的。
2012年，波多黎各的阿雷西博天文臺(Arecibo Observatory)發(fā)現(xiàn)了第一個重復(fù)的FRB，命名為FRB 121102。這一發(fā)現(xiàn)證實，至少在某些情況下，這些強大的輻射爆炸源在那次發(fā)射中幸存了下來。這排除了許多災(zāi)難性的FRB模型，或者至少排除了罕見的重復(fù)性FRB模型。

這張圖片顯示了巴夏禮射電望遠鏡正在接收一個FRB信號。(圖片來源:uux.cn/史文朋天文制作公司)
FRB 121102似乎來自30億光年以外的星系，它的發(fā)現(xiàn)也很重要，因為它標(biāo)志著除了巴夏禮天文臺以外的望遠鏡首次發(fā)現(xiàn)了FRB。這有助于確認這些事件不是澳大利亞天文臺特有的環(huán)境怪癖的結(jié)果。
根據(jù)加州理工學(xué)院的說法，第二年，“快速射電爆發(fā)”一詞被創(chuàng)造出來描述這種類型的事件。
雖然這些FRB是最先被發(fā)現(xiàn)的，但它們絕不是最早出現(xiàn)的FRB。2022年6月，天文學(xué)家使用澳大利亞平方公里陣列探路者，一種由36個12米(39英尺)天線組成的無線電干涉儀，發(fā)現(xiàn)了一個源于130億光年之外的FRB。這使得被命名為FRB 20220610A的爆發(fā)成為FRB見過的最遙遠——也是最早的——有可能在宇宙不到10億歲時發(fā)起。
然而，并非所有的FRB都如此疏遠。上面描述的FRB——以及迄今為止發(fā)現(xiàn)的絕大多數(shù)FRB——起源于銀河系之外的星系。所以另一個重要的發(fā)現(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了在我們自己的星系中出現(xiàn)的這樣一個爆炸事件。
這次爆發(fā)被命名為FRB 200428，于2020年4月被加拿大氫強度測繪實驗(CHIME)和瞬態(tài)天文無線電發(fā)射2號調(diào)查(STARE2)發(fā)現(xiàn)，這是一個由加利福尼亞州和猶他州的三個無線電天線組成的陣列。它只持續(xù)了1.5毫秒，從僅3萬光年之外的地方出現(xiàn)，朝著我們銀河系的中心。
迄今為止見過的最長的FRB是FRB 20191221A，它是科學(xué)家在2019年使用CHIME首次發(fā)現(xiàn)的。這種FRB持續(xù)了三秒鐘，比一般的FRB長了大約1000倍。它也有周期性的峰值，發(fā)現(xiàn)者將其比作宇宙的“心跳”
快速射電爆發(fā)會重復(fù)嗎？
重復(fù)和非重復(fù)FRB之間有明顯的區(qū)別。
自從它們被發(fā)現(xiàn)以來，已經(jīng)觀察到超過1000個FRB。根據(jù)麥吉爾大學(xué)的數(shù)據(jù)，直到2017年，即發(fā)現(xiàn)洛里梅爆發(fā)10年后，只發(fā)現(xiàn)了140個FRB。多虧了CHIME，僅在2021年就發(fā)現(xiàn)了令人難以置信的535個FRB。
迄今為止發(fā)現(xiàn)的絕大多數(shù)FRB是不重復(fù)的。例如，在535個探測到鐘聲FRB的集群中，只有18個是重復(fù)的。2023年4月，利用CHIME，天文學(xué)家將已知重復(fù)FRB的數(shù)量從25個增加到50個。
重復(fù)FRB的缺乏，加上它們極其短暫的性質(zhì)，使這些爆發(fā)的起源一直籠罩在神秘之中，因為天文學(xué)家無法使用第二個實例來更好地確定FRB來自哪里。
一些研究人員認為，F(xiàn)RB星表可能缺少重復(fù)的FRB，僅僅是因為我們研究天空的時間還不夠長，不足以檢測到許多重復(fù)出現(xiàn)的事件。然而，重復(fù)的FRB似乎在某些方面不同于非重復(fù)的FRB。例如，根據(jù)麥吉爾大學(xué)的說法，重復(fù)FRB似乎持續(xù)更長時間，但比非重復(fù)FRB在更窄的無線電波頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)，這表明重復(fù)和非重復(fù)FRB來自不同的來源。
是什么導(dǎo)致了快速射電爆發(fā)？
天文學(xué)家并不完全確定是什么導(dǎo)致了快速射電爆發(fā)，但有一些關(guān)于其來源的線索。因為FRB只持續(xù)幾毫秒，所以它們可能來自非常緊湊的對象；光必須在FRB達到峰值然后消失的同一時間內(nèi)穿過物體。FRB的能量表明他們可能坐在暴力和充滿能量的環(huán)境中。
這些線索使科學(xué)家們提出致密恒星殘余，如白矮星和中子星，作為FRB來源的候選。FRB的一個主要來源是磁星，這是一種快速旋轉(zhuǎn)的中子星，擁有已知宇宙中最強大的磁場。
像所有的中子星一樣，磁星誕生于大質(zhì)量恒星在其生命末期，當(dāng)核聚變的燃料耗盡時坍縮。恒星的外層脫落，留下一個質(zhì)量與太陽相當(dāng)?shù)暮阈呛诵摹＿@坍縮到地球上一個城市的寬度，留下了一個直徑超過12到20英里的恒星殘骸——中子星。
但因為角動量在物理學(xué)中是守恒的，這種快速收縮也導(dǎo)致中子星“旋轉(zhuǎn)起來”，并以每秒700次的速度旋轉(zhuǎn)。它還將垂死恒星的磁場線擠壓得更近，更近的磁場線意味著更強的磁場。所有的中子星都有很強的磁性，但是大約1%的中子星擁有已知宇宙中最強的磁場，這些被稱為磁星。根據(jù)美國宇航局的說法，磁星的磁場可能比地球的磁氣圈強一千萬億倍。這些強大的磁場可能導(dǎo)致磁星爆發(fā)，進而導(dǎo)致FRB。

磁星的圖解說明，它是發(fā)射FRB的主要嫌疑犯。(圖片來源:uux.cn/NASA)
這個起源模型的有力證據(jù)來自2020年，當(dāng)時銀河系無線電波爆炸FRB 200428被追蹤到磁星SGR 1935+2154。這項探測工作背后的團隊還發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RB 200428與X射線爆發(fā)相對應(yīng)，這表明有利于磁星爆發(fā)和耀斑引起的電磁輻射脈沖的發(fā)射模型可能是FRB的原因。研究人員說，磁星將在這次發(fā)射中幸存下來，這可以解釋為什么一些FRB會重復(fù)出現(xiàn)。
中子星的碰撞和隨后的合并也被認為是FRB的一個可能來源。當(dāng)中子星相互撞擊時，這種碰撞留下了一個高度磁化的“超大質(zhì)量致密物體”，它迅速坍縮成黑洞，噴射出超大質(zhì)量黑洞前身物體的磁層，從而導(dǎo)致FRB。
這個想法得到了2022年探測到的一個FRB的支持，這個FRB似乎與中子星合并發(fā)出的引力波有關(guān)。這種合并將是一次性事件，可能會導(dǎo)致不重復(fù)的財務(wù)報告準(zhǔn)則。然而，這無法解釋為什么有些財務(wù)報告準(zhǔn)則會重復(fù)。
根據(jù)行星協(xié)會的說法，另一個可能的“崩潰場景”是關(guān)于FRB的產(chǎn)生，與“閃電”有關(guān)。這種強烈的無線電波爆發(fā)是由一顆超大質(zhì)量中子星的突然坍縮引起的，這顆中子星本應(yīng)立即坍縮成黑洞，但卻受到了自身快速旋轉(zhuǎn)的保護。
白矮星是當(dāng)像太陽這樣的低質(zhì)量恒星耗盡核聚變所需的氫時形成的，當(dāng)它們碰撞和合并時，可能會產(chǎn)生高度磁化的恒星。這些碰撞也可能引發(fā)稱為Ia型超新星的宇宙爆炸，如果這些超新星和FRB之間存在聯(lián)系，就可以發(fā)現(xiàn)這種爆炸。也有可能白矮星與中子星的碰撞產(chǎn)生了磁星，導(dǎo)致了FRB。
根據(jù)行星協(xié)會的說法，一種外部的可能性表明，F(xiàn)RB實際上并不來自銀河系以外的來源，而來自河外來源的外觀是在這些射電爆發(fā)穿過恒星周圍厚厚的等離子體介質(zhì)時產(chǎn)生的。這將意味著FRB是銀河系中閃耀恒星的結(jié)果，如果FRB被發(fā)現(xiàn)與我們銀河系中的變星有關(guān)，這一點就可以得到證明。但是這種聯(lián)系還沒有顯現(xiàn)出來。
快速無線電突發(fā)專家問答
我們就快速射電爆發(fā)問題采訪了科廷大學(xué)天體物理學(xué)碩士研究生亞歷克斯·莫羅亞努。
亞歷克斯·莫羅亞努天體物理學(xué)家
Alex Moroianu是科廷大學(xué)的天體物理學(xué)碩士畢業(yè)生。2023年3月，Moroianu在《自然》雜志上發(fā)表了一篇論文，幫助解開了圍繞快速射電爆發(fā)的一些謎團。
你的研究如何與快速射電爆發(fā)聯(lián)系起來？
我們的研究集中在測試快速射電爆發(fā)的源頭。目前，主要的候選源是年輕活躍的磁星(高磁化中子星)。
還有其他可能的快速射電爆發(fā)源嗎？
快速射電爆發(fā)的特性——即中繼器和非中繼器之間的差異——意味著可能有多個來源。致密天體合并(即黑洞和/或中子星之間的合并)長期以來被認為是潛在的FRB源。
如何證明黑洞合并和快速射電爆發(fā)之間的聯(lián)系？
我們的研究尋找這種致密天體合并發(fā)出的引力波和快速射電爆發(fā)之間的巧合，以調(diào)查它們是否相關(guān)。然而，重要的是要注意，如果發(fā)現(xiàn)它們是相關(guān)的，緊湊對象合并只能解釋大約1%的FRB。那是非常聰明的復(fù)讀生。因此，我們?nèi)匀恍枰{(diào)用活躍的磁星和其他潛在的來源來解釋其余的99%左右。
為什么快速射電爆發(fā)被認為是神秘的？
快速射電爆發(fā)是神秘的，因為即使我們在過去的幾十年里探測到了數(shù)百次，我們?nèi)匀徊荒芡耆_定它們來自哪里！

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