謎一般的快速射電爆發

苗千

自從人類在21世紀初發現了快速射電爆發（Fast Radio Burst）現象之后，這種奇異的宇宙現象就開始逐漸吸引起越來越多天文學家的注意。

十幾年過去了，針對這種來自銀河系之外的奇異現象，天文學家們做出了各種模型和假設，甚至還懷疑過這是地外生命發送的某種帶有數學規律的信號。現在，它已經成為天文學研究中的最大謎團。

理論模型與實際觀測之間的巨大差異可能是天文學研究中最有趣、也最令天文學家們感到痛苦的地方，出人意料的新發現隨時可能不期而至。在2007年，美國西維吉尼亞大學的天文學家鄧肯·洛里默（Duncan Lorimer）在分析澳大利亞帕克斯天文臺以往的觀測數據時，發現了天文臺64米口徑的射電望遠鏡在2001年8月24日接收到一組短促的信號——一組只持續了5微秒卻足夠醒目的射電信號。這個如今被稱為“洛里默爆發”（Lorimer Burst）的信號卻讓當時的洛里默感到無所適從，因為不僅沒有任何理論可以解釋這組信號的來源，人類此前也從沒探測到這種奇異的信號。他開始懷疑是否是設備本身出了故障，比如接收到了周圍的手機訊號，或是未明的衛星訊號，或是奇特的天氣現象產生出的電磁波……

隨著更多的天文學家發現了與洛里默爆發類似的信號，人們才開始逐漸意識到，這樣的宇宙現象并非偶然，而是非常常見，只是人類很少能夠恰好捕捉到而已。但仍然沒有任何的理論足以解釋這種宇宙現象何以存在。與之類似的，天文學家們只了解一種高速旋轉的中子星——脈沖星（pulsar）可以發射出周期性的電磁脈沖信號。但是快速射電爆發所發射的能量強度遠遠超過了脈沖星，這讓宇宙學家們對這種奇異宇宙現象的源頭充滿了好奇。人們猜測這有可能是黑洞在吞噬其他天體時發出的高強度的輻射，也有人猜測可能是兩個中子星碰撞時所爆發出的驚人能量——快速射電爆發可能確實是由一種毀滅性的過程所產生的，因為人們很少能在同一個地點發現兩次快速射電爆發。

天文學家們開始在世界各地修建天文臺，用來專門觀測快速射電爆發現象。其中由加拿大英屬哥倫比亞大學、麥吉爾大學、多倫多大學和自治領射電天體物理觀測臺等幾個機構合作建設的加拿大氫強度映射實驗（Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment）將在2017年底完成。隨著地球的自轉，這個巨大的射電望遠鏡陣列每天都將可以探測半個天空的射電信號，屆時或許每天都可以發現數十次的快速射電爆發，但是這種現象的成因，對于天文學家們來說仍然是一個謎團。

無論快速射電爆發是由什么樣的原因引起，目前可以肯定的是，這些劇烈的宇宙奇觀一定都是發生在遠離地球，乃至遠離銀河系的河外星系。對于已經探測到的快速射電爆發現象，天文學家們使用一種被稱為“差量測量”（dispersion measure）的方法來測量其源頭與地球的距離。這種方法的原理就在于當快速射電爆發產生出不同頻率的電磁波在宇宙空間中穿行時，其中低頻的電磁波更容易受到自由電子的干擾而被阻礙，相對來說高頻電磁波的路程就更加順暢。因此，當地球接收到這些短促的射電信號，其中高頻和低頻部分就會有一個明顯的時間差。信號所經過的路程越遙遠，高頻與低頻信號之間的時間差就越大，于是天文學家們可以從這個時間差大致推斷出射電信號在空間中經過了多遠的距離。

計算出的大致結果遠超人們的想象。這些快速射電爆發的信號在到達地球之前都運行了55億到100億光年，這個距離遠超銀河系的范圍，也就是說，快速射電爆發只能發生在河外星系中，這讓它更增添了幾分神秘感。

1.美國西維吉尼亞大學的天文學家鄧肯·洛里默2.快速射電爆發傳到地球3.建設中的加拿大氫強度映射實驗裝置

最近，對于快速射電爆發的觀測由給天文學家帶來新的謎團。在2016年11月出版的《天體物理學雜志通訊》（The Astrophysical Journal Letters）雜志上，美國賓夕法尼亞州立大學的幾位天文學家報告了在觀測到名為“FRB 131104”射電爆發的同時，通過美國航空航天局的“雨燕衛星”（Swift Satellite），在相同的時間，相同的方向發現了能量巨大的伽馬射線爆發。這是人類第一次觀測到快速射電爆發伴隨以更高能量的伽馬射線爆發，這徹底改變了人類對于快速射電爆發的認識，從此天文學家們可以在地面上利用射電望遠鏡探測射電信號，同時在地球軌道上探測伽馬射線。如果說快速射電爆發的能量相當于宇宙中的一聲口哨，那么隨之而來的伽馬射線爆發所攜帶的能量則相當于一記重擊。相比之下，伽馬射線的能量相當于射電信號能量的10億倍以上。究竟是什么劇烈的宇宙現象才可能形成這樣的大爆發？而這次觀測有沒有可能幫助科學家們理解快速射電爆發的成因？

距離地球100億光年之外的一兩個天體忽然放射出巨大的能量，在這個過程中發射的射電信號持續了幾微秒，而同時產生的伽馬射線爆發則持續了幾分鐘的時間（這兩個現象純屬巧合，同時發生的概率極低）。有些天文學家對于這個觀測結果感到高興，因為他們的模型預測了快速射電爆發可能會伴隨著伽馬射線爆發。例如磁星（magnetar）——一種具有超強磁場的中子星就有可能反復產生出高能量的射電信號，同時伴隨著伽馬射線;兩個中子星碰撞合并成為一個黑洞也可能產生出這種效果。但問題是，磁星或中子星的碰撞都遠遠無法產生出如此高能量和長時間的伽馬射線。反過來說，超大黑洞吞噬恒星或超新星爆發時有可能產生高強度的伽馬射線爆發，但是這樣的過程并不會伴隨著輻射出射電信號——這個謎團仍然沒有解開。

天文學家們或許需要建立更多的模型以解釋各種奇異的宇宙現象，但他們更需要的顯然是更多更精確的觀測數據。通過探測快速射電爆發與地球之間的精確距離，天文學家們或許還可以解開另外一個謎團：宇宙中的重子（主要是指質子和中子）數問題。目前人們所觀測到的銀河系內的重子數與理論計算的結果相差甚遠，那么在星系之間的宇宙空間里，是否會有更多尚未被發現的重子？人們可以通過空間中電子的數量大致推算出重子數。那么，如果可以精確地探測到快速射電爆發的位置，通過差量測量方法反推，也就可以計算出星系空間中的重子數量了。