神秘事件:+535

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2007年,天文学家首次在夜空中发现了一个有趣的信号。它距离我们非常遥远,大约在数十亿光年之外,信号的持续时间又非常短,数毫秒后便一闪而过,消失不见。更令人惊讶的是,它包含的能量格外强,它在几毫秒里释放的能量,可能和太阳在几天里释放的差不多。

几年后,越来越多的类似事件被发现,科学家的态度从最初的怀疑,也转变为逐渐意识到,这是一种亟需解释的全新类型的信号。它后来被称为快速射电暴(FRB)。

FRB是天体物理学中一个非常年轻的新兴领域。事实上,研究表明,它并非一种罕见事件,每天大约有上千起FRB事件的信号抵达地球。但它持续的时间实在太短了,这让捕捉和探测成了一件充满挑战的事情,更不用说寻找和定位其来源了。

原先,天文学家只发现了约140起爆发事件。但现在,这一现状已经被彻底改变。近日,一组科学团队宣布,他们利用CHIME(加拿大氢强度测绘实验)望远镜,在2018年到2019年间探测到了535起FRB事件,这让已知的FRB事件数量一下翻了四倍。

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CHIME望远镜。|图片来源:CHIME

每一起新捕捉到的事件,都让天体物理学家对这种奇怪的宇宙现象有了更多认识。随着研究的深入,一些天文学家也已经开始利用FRB作为研究宇宙的强大工具。

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FRB这个名字其实相当准确,它概括了这类信号的关键特征:持续仅仅几毫秒的射电频率的辐射爆发。由于这种信号大多稍纵即逝,一个关键的谜团一直萦绕在科学家的脑中:它们究竟从何而来?

天文学家发现,这些爆发的一个决定性特征是它们的色散:爆发会产生一个射电波谱,当波穿过物质时,它们会发生“扩散”,或者说产生色散,而频率较高的爆发则比频率较低的爆发更早到达望远镜。

这种色散使研究人员能够了解两件重要的事情。首先,像CHIME这样的望远镜可以测量色散,从而了解射电爆发在向地球传播的过程中所经过的物质。其次,通过测量色散,天文学家可以间接地确定天文学中最重要的信息之一,那就是物体的距离有多远。色散量的数值越大,代表着信号遇到的物质就越多。据此推测,遇到更多物质就可能意味着它在宇宙中传播的距离更大。

FRB的色散量通常非常大,天文学家因此认为,信号一定来自银河系之外。但需要注意的是,宇宙中的物质分布并不是均匀的,这些估计可能并没有那么准确。因此,想要确认FRB源的距离,还需要其他方法。

几年前,这个问题得到了一个引人注目的答案。就在2016年,天文学家确认了第一例重复射电暴,也就是同一个爆发源的多次爆发。这种重复性的FRB成了精确定位其来源的关键。

通过拍摄天空中重复性爆发的图像,科学家发现爆发来自一个特定星系。随后,他们利用光学望远镜确定,这是一个距离地球约30亿光年的矮星系。进一步观测表明,它似乎起源于星系外围的一个恒星诞生的区域。

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磁陀星的艺术家畅想图。|图片来源:ESO/L. Calçada

2020年底,科学家还首次发现了一例来自银河系内的FRB,它似乎与一颗已知的磁陀星(一种高度磁化的年轻的中子星)有着密切关联。HXMT(慧眼硬X射线调制望远镜)也曾探测到这颗磁陀星的X射线爆发,并确认它是FRB的来源。这也是FRB研究中的一个重要里程碑。

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尽管科学家已经取得了一些进展,但想要彻底解开谜团,显然还有很长的路要走。更多的问题还在后面:FRB究竟是什么?重复爆发和非重复爆发有何异同?两类FRB都是由相同的事件引起的吗?……

但要回答所有这些问题,都需要大量FRB事件的观测,以及它们的色散量、强度和位置等各种信息。

这也是此次新发布的海量的FRB事件的“用武之地”。在新探测到的535起事件中,包括了来自18个重复源的61次爆发。科学家相信,这份名单将该领域推向了大数据时代。随着观测数据的增长,各种各样的问题有望开始得以解决。

最近,一些CHIME合作组织的学生成员已经开始使用这些数据发表研究报告。一项研究表明,CHIME探测到的FRB来自四面八方,几乎平均分布在太空中,这一事实此前一直存在争议。

另一组团队则研究了不同爆发的形状和大小,并证实重复性事件的行为不同于非重复性的单次爆发,也就是说,FRB很可能有多种来源和成因。

还有一组团队首次证实,FRB与已知的星系有着密切的联系。这意味着天文学家有机会利用这些事件来描绘宇宙的结构。

此外,FRB本身也可以作为研究宇宙的有效工具。例如,一些理论学家提出,FRB可以用来研究宇宙中物质的三维结构。另一些研究表明,最遥远的爆发可以用来了解宇宙演化中鲜为人知的早期时刻。

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这仅仅是CHIME运行第一年取得的“丰收”成果。这台望远镜非常特别,它没有任何活动的部件,会随着地球的自转扫描天空并收集数据。它配备的先进的电子设备,让它能敏锐地捕捉FRB的信号,因此自运行之初便被寄予厚望。

在CHIME运行之前,被发现的FRB事件总共不到100起。现如今,数百起FRB事件已经被记录下来。

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CHIME。|图片来源:CHIME via Yale University

不仅仅是CHIME,像FAST、ASKAP(澳大利亚平方千米阵探路者)等许多望远镜,每天也都在探测更多FRB事件,但我们对这种神秘而强大的宇宙事件的了解还仅仅是皮毛。

一些科学家表示,将不同事件归因于它们各自的宿主星系是FRB研究最紧迫的优先观测事项。但是,寻找宿主星系是非常有挑战性的。目前,其他一些望远镜,比如ASKAP,已经成功将一小部分非重复性射电暴和它们的宿主星系联系在了一起。下一代望远镜或许能将高探测能力的CHIME和ASKAP的高分辨率成像能力结合起来,从而获得更多信息。

目前,FRB天文学的研究还处于起步阶段,很多天文学家都认为,还很难预测下一步会有什么发现。但在许多人眼中,这个领域的未来就像这种宇宙事件一样,明亮而迅速。

#创作团队:

文字:Takeko

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封面及首图来源:CHIME

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