快速射電暴

劉聲遠

探測快速射電暴（示意圖）。

現代射電天文學的最大奧秘——快速射電暴依然無解。正如其名，快速射電暴的無線電波只持續一兩秒，但卻很強大——它們位列天空中最亮的電波源頭，盡管穿行距離可能長達數十億光年，它們卻依然很明亮。科學家的最新估算結果是，一次快速射電暴產生的能量比太陽在一整天里產生的還多。

可見光只構成電磁光譜的一部分。如果你能看見無線電波，就全天都可能在天空中看見快速射電暴：它們來自各個方向，每天都有成千上萬次。雖然快速射電暴如此常見，但直到大約20年前它們卻仍未被探測到哪怕一次。如今，科學家依然不清楚快速射電暴究竟是什么，但由于技術進步和一些幸運的突破，他們終于開始窺探這種宇宙神秘信號的端倪。

澳大利亞帕克斯天文臺。

天穹爆發

快速射電暴并不是被人刻意尋找而發現的。事實上，快速射電暴的第一次發現幾乎是因為2007年的一場意外。當時，本科生納科維奇在為美國射電天文學家羅瑞莫工作期間的主要任務是調查探測檔案數據，以及尋找死亡恒星。當足夠大的恒星以烈焰超新星的方式死亡時，它們會留下遺骸——完全由中子組成的核（即中子星）。中子星每秒自旋多次并發射輻射柱，掠過地球的輻射柱看上去就像脈沖，也就是說，中子星就像在遠處閃光的宇宙燈塔，因此中子星也有脈沖星之稱。納科維奇的尋找對象正是脈沖星。他梳理澳大利亞帕克斯天文臺的多次觀測數據，由此尋找從近距離環繞銀河系的兩個衛星星系——大麥哲倫云和小麥哲倫云（合稱麥哲倫云）發射的脈沖。

一個寒冷冬日，表征一種奇異射電暴、而非一顆中子星的檔案數據引起了納科維奇的注意，他立即向羅瑞莫報告說他認為自己發現了神秘的東西——一種單一的明亮脈沖，并且它看來并非來自麥哲倫云，而是來自很遠的一個深空區域。對納科維奇這一發現，就連羅瑞莫也感到驚奇，不知道該怎樣理解它，但他知道這是自己從未見過的東西。2007年底，羅瑞莫公布了這一發現，并將這種脈沖稱為快速射電暴。

一開始，其他科學家也不知道快速射電暴是什么玩意兒。不少科學家對所謂的“快速射電暴”持懷疑態度，猜測它們是來自于閃電和微波爐這樣的平凡信號源。就連羅瑞莫的夫人（她也是一位射電天文學家）也認為，快速射電暴并非是一種真實的存在。

但致力于尋找快速射電暴的科學家們并不打算就此罷休。他們的理由是：快速射電暴的信號很短暫，天空卻很大，而像帕克斯天文臺（其實質是射電望遠鏡）這樣的許多射電望遠鏡每次只能觀測天空的很小一個區域，那么怎么能肯定快速射電暴不存在？就算科學家曾經在天空中探測到的不少信號最終被證實不為真，也不能證明快速射電暴是假的。最終，來自全球各地射電望遠鏡觀測到并且經過確認的快速射電暴信號讓懷疑者消除了懷疑。迄今為止科學家已探測到至少52次快速射電暴，他們最終確信自己手頭真的又有了一種全新的無線電波（也稱射電波）信號。然而，他們對這些信號本身幾乎一無所知。

強弱之爭

雖然科學家對快速射電暴所知甚少，但他們已經知道每一次快速射電暴都來自遙遠深空。那么，快速射電暴能告訴我們什么？答案就隱藏在快速射電暴的信號內部。自然發生的大多數射電信號是寬頻的，即頻率范圍寬，而不像你家附近的調頻無線電臺那樣只有一個特定頻率。在地球上我們采用窄帶信號讓我們共享的可得頻譜最大化，而大自然并無這樣的條件。仔細觀測任何天文射電信號，你會發現低頻信號的到達會稍晚于高頻信號，原因是：雖然太空是比地球上任何真空都更好的真空，但太空的真空條件也不完美，而是到處都有雜散粒子。這些粒子與射電信號相互作用，從而拖慢較弱的低頻信號，但更強的高頻信號不太受雜散粒子糾纏，而是與這些粒子擦肩而過。信號穿行距離越遠，低頻信號的遲延通常也越明顯。科學家稱這種信號遲延為分散性測度。

如果射電信號來自于地球所在的銀河系本身，那么分散性測度可能為30左右。而來自于麥哲倫云的信號分散性測度超過200。最早探查到的快速射電暴（在羅瑞莫宣布其發現之前的檔案數據中揭示）的分散性測度為790，這意味著它來自于幾十億光年外。如此遙遠的距離，向科學家說明了快速射電暴的源頭：為了在非常遙遠的地方能見到一個極度明亮的短暫信號，無疑需要一個極其強大的信號源。問題是，迄今為止沒有任何科學家敢肯定這種信號源是什么，因為任何已知模型都不能很好地解釋這個問題。

重復信號

在解讀快速射電暴方面的第一個主要突破，源自快速射電暴121102的發現。快速射電暴的命名是根據其發現日期，因此快速射電暴121102的發現是在2012年11月2日。這一射電暴之所以鶴立雞群，是因為長時間觀測已證實其他所有已知的快速射電暴都只暴發一次，而它卻暴發了多次。它有時會相隔幾星期或幾個月才暴發，但有時卻會在一天內暴發多次。

重復性快速射電暴的一個發源地。

正是這種重復的雜亂信號，讓有耐心的科學家對這種快速射電暴的了解多于對任何其他快速射電暴的了解。科學家通常知道在天空中什么區域尋找重復的快速射電暴，這讓他們能精確定位重復性快速射電暴的源頭坐標，因為有這樣的精確度，所以科學家就能運用雙子座天文臺（位于美國夏威夷）和哈勃空間望遠鏡追蹤重復性快速射電暴的源頭。

這些追蹤性觀測發現快速射電暴121102的故鄉是位于30億光年外的一個難以名狀的矮星系，這個矮星系的大小與大麥哲倫云相仿，比銀河系大10%。僅僅這一點就夠奇怪了：科學家預計像快速射電暴之類的天文現象應該源自活躍的大星系（星系中心有超大質量黑洞）或活躍的恒星形成區域，而不會源自像矮星系這樣的宇宙“小個頭”。

2018年，科學家把目光指向更遠的深空。通過仔細分析快速射電暴121102射電波巨大的快速扭轉（即信號偏振），他們得知它的故鄉環境不同尋常。科學家推測，重復性快速射電暴的發生與中子星有關，發生環境非常極端。重復性快速射電暴信號可能源自一類特殊的中子星——磁星。磁星的磁場非常強大——通過壓縮你身體原子內部的電子云，磁星在上萬千米外就能殺死你。如果磁星的超強信號被超大質量黑洞附近區域的極端環境扭曲，或出現類似情況，就能很好地解釋快速射電暴的強烈偏振。當然，重復性快速射電暴的形成機制可能并非如此。總而言之，重復性快速射電暴是一個另類，快速射電暴很難以一言概括。

加拿大氫強度繪圖實驗望遠鏡。

數據涌現

發現更多的快速射電暴是當務之急，科學家之所以還不能確定快速射電暴的來源，是因為信息不夠。美國女天文學家艾米莉發現了第一批快速射電暴中的一部分，當時大多數同行仍不確定快速射電暴是否真實存在。通過對觀測信號的首次綜合分類，艾米莉幫助建立了快速射電暴這一學科領域。她相信，為了破解快速射電暴起源之謎，必須發現幾百次快速射電暴，從中尋找相對統一的模式和特例。艾米莉還說，眼下情況是：被觀測到的每一次快速射電暴都只是一片獨特的“雪花”，各有其特殊性，而科學家需要的是“漫天大雪”。

隨著位于加拿大的一部射電望遠鏡——“氫強度繪圖實驗”望遠鏡變身為快速射電暴追蹤器，“第一場雪”已落下。顧名思義，該望遠鏡的主要目標正是繪制星系中的氫云圖。因為“氫強度繪圖實驗”每次都能觀測天空中大片區域，所以快速射電暴應該在它觀測、繪圖期間冒出來，此外，隨著天空中一個固定區域每次飄過其上空，靜止的“氫強度繪圖實驗”都會觀測它，因此用該望遠鏡尋找重復性快速射電暴也就理所當然。如果“氫強度繪圖實驗”的視野中出現一次快速射電暴，那么該望遠鏡會每天自動監測它，由此尋找新的暴發。2018年7月，“氫強度繪圖實驗”團隊第一次發現一場快速射電暴。該望遠鏡可能會發現更多的重復性快速射電暴，前提是這樣的射電暴的確存在。

定位一次非重復性快速射電暴（示意圖）。

光芒閃爍

探測數據不僅“雪花紛飛”，而且帶來一些驚奇。2018年10月，在澳大利亞平方千米陣列探路者射電望遠鏡工作的科學家宣布發現了20次快速射電暴，這使得到當時為止已知的快速射電暴數量幾乎翻倍，這也是在快速射電暴探索故事中的最近一個大轉折。在這項觀測中，科學家仔細選定全天空的50個區域，分別進行幾百小時連續觀測，試圖發現重復性快速射電暴，雖然最終就連一個這樣的射電暴都未找到，但這項觀測的意義依然不言而喻。

平方千米陣列探路者團隊把自己發現的快速射電暴與帕克斯天文臺團隊發現的快速射電暴進行比較，發現了一個有趣的關聯：平方千米陣列探路者團隊發現的快速射電暴更明亮，分散性測度更低，也就意味著它們的源頭更近。這說得通：在一個大霧迷蒙之夜閃光燈離你越近則看起來越亮。通過測量相對亮度，甚至可以確定閃光燈離你有多遠。平方千米陣列探路者團隊所獲探測數據表明，快速射電暴遵循同樣的模式。

澳大利亞平方千米陣列探路者望遠鏡陣列。

想象一下這種情況：如果你知道一只閃光燈的確切位置并看見這只閃光燈，但它看上去卻暗了許多，如果其他條件不變，那么你很可能會認為自己看到的并不是自己知道的那只閃光燈，而是另一只。重復性快速射電暴121102就是這第二只閃光燈：雖然所有非重復性快速射電暴看來都遵循平方千米陣列探路者團隊確立的分散性測度與亮度之間模式，但快速射電暴121102看上去卻比它在預計分散性測度下的亮度低得多。這讓許多科學家很困惑。是否一次性和重復性快速射電暴的產生機制不同？也就是說，快速射電暴是否也分不同版本？這一點目前尚無一致性意見。不過，科學家把自己的發現一分為二的情況之前就有過（請參見相關鏈接：《一變二》）。

神秘信使

探測數據讓科學家對快速射電暴有了一個個新的了解，但也帶來了一連串新問題：快速射電暴是否都是重復性的，只不過現在被判定為一次性的快速射電暴的重復周期太長，而被誤認為是一次性的？一次性和重復性快速射電暴是否是本質不同的現象？羅瑞莫在評論最近一系列快速射電暴的發現時指出，有關快速射電暴的理論數量比已經發現的快速射電暴數量還多。

有科學家認為，這種現象并不奇怪，因為未知的可能性實在太多，其中包括目前科學家根本沒有想象到的可能，也許年輕的中子星比科學家預計的更充滿能量;或者，快速射電暴涉及科學家尚不了解的物理學知識;再或者，快速射電暴所需的條件如此罕見，以至于銀河系及其附近環境中缺乏這些條件，因而不能產生快速射電暴。有關非凡現象的非凡理論需要非凡的證據，快速射電暴正是這樣一個非凡現象。

更好的情況是，不管是什么原因引起了快速射電暴，它們的信號都可能有助于科學家破解有關宇宙的奧秘，畢竟這些信號穿行了非常遙遠的距離。新研究表明，研究快速射電暴的分散性測度，有可能成為了解星系之間稀疏物質和未知地帶的新途徑。科學家甚至可能將探測到在那些遙遠地帶存在的磁場，而目前科學家對這一現象幾乎一無所知。

盡管有這么多懸而未決的問題，卻至少有一點已很清楚：快速射電暴天文學時代已到來。

人工智能已開始參與探測外太空神秘信號，包括快速射電暴（示意圖）。

相關鏈接：一變二

科學家有可能最終會發現不同版本的快速射電暴，即不同機制引起的不同類型的快速射電暴。之所以這樣說，是因為這在天文學中有先例。

1973年，美國軍方解密了伽馬射線暴的存在。20世紀60年代，旨在探測核武器試驗所產生伽馬射線的美國軍事衛星首次探查到了伽馬射線暴。到1994年，至少已有118個伽馬射線暴模型發表。隨著每一次新發現伽馬射線暴，這些模型中的一部分都被排除。

科學家后來發現，伽馬射線暴實際上有兩種主要類型（此外還有一些罕有類型）：在探測到的伽馬射線暴中，大約9%屬于在大質量恒星坍縮成超新星時出現的“長暴”，其余大多數則為“短暴”。短暴的起源與兩顆中子星的合并有關，這在2017年已被證實。

與此類似，超新星也有不同起源。當一顆超大恒星的燃料燒盡時，恒星在巨大爆發中死亡，留下一顆中子星或黑洞“遺體”。這樣形成的超新星最常見，但也有少數超新星如此形成：常規質量恒星死亡留下的發光灰燼形成白矮星，白矮星重新點燃、撕裂形成超新星。科學家相信，這樣的超新星是在白矮星從相伴恒星虹吸質量或與另一顆白矮星合并（或兩者都有）的情況下形成的。但迄今為止，究竟什么機制形成什么類型的超新星依然不清楚。

伽馬射線暴（想象圖）。