賽先生天文 | 天空的神秘閃光——快速射電暴

（圖片作者：MatiponTangmatitham）

李毅超、牛晨輝、陳學雷（中國科學院國家天文台）

大約一年前（2015年4月）的一天，我們照常參加GBT中性氫巡天合作組的每周例會。位於美國西弗吉尼亞州綠岸(Green Bank)的GBT是目前世界上最大的可動望遠鏡，其反射面直徑達110米。幾年來，我們這個由來自全世界各地學者組成的合作組，每年都會申請大量的GBT時間進行巡天觀測，試圖繪出宇宙中最常見的氫原子在大尺度上的三維分布。但是，雖然我們知道這些氫原子產生的21cm波長的譜線肯定存在，但它卻淹沒在銀河系強烈的同步輻射中，這就彷彿是要在燈火通明的城市中看到微弱的星光一樣困難。年復一年，我們積累了越來越多的數據，嘗試新的數據處理方法，結果在逐漸改進，但還未能實現中性氫探測的突破。於是，在一邊繼續中性氫觀測的同時，我們也開始試著看這些數據還可以獲得些什麼別的有趣結果。這一天傳來了一個頗為激動人心的消息：卡耐基梅隆大學的台灣留學生林秀賢在我們積累的觀測數據中發現了一個疑似「快速射電暴」信號。

「快速射電暴」（Fast RadioBurst，簡稱FRB）是近年來天文觀測中發現的一種未知的神秘的、短促而明亮的射電脈衝。人們對它非常好奇，因為它很容易讓人想起另一個類似的現象——伽瑪射線暴。上世紀60年代，為了監測蘇聯的秘密核爆炸，美國發射了伽瑪射線衛星，卻意外地發現宇宙中經常會發生某種神秘的爆炸，產生明亮的伽瑪射線閃光，後來稱之為伽瑪射線暴(GRB)，但究竟是什麼導致了這些神秘爆炸，很長時間都是個謎，學者們曾提出過上百種不同的猜測。現在一般認為有兩種伽瑪暴，分別來自大質量恆星的坍縮或兩顆中子星的碰撞，但是其實這些也都還是並未完全證實的假說，可以說直到今天這個謎也還沒有完全解開。就持續時間而言，GRB雖短，一般也會達到秒的量級，而FRB 卻僅持續毫秒量級，這意味著這種爆發發生在非常小的空間（幾十千米）範圍內。這究竟是什麼？顯然，這是一個非常有意思的問題。

真假射電暴

快速射電暴最初是在分析脈衝星巡天數據時發現的。脈衝星是射電天文學在上世紀60年代最重大的發現之一，它的發現本身完全是一個意外——當時劍橋大學的女研究生貝爾意外地發現了一種規則的脈衝信號。由於這個信號如此規則，她一開始以為是一種人為產生的電磁波信號，後來經過仔細分析確認信號來自太空後，還一度開玩笑地把它叫做「小綠人」——科幻小說中外星人發來的信號，後來人們認識到這是高速旋轉的中子星產生的。為了尋找更多的脈衝星，許多望遠鏡進行了脈衝星巡天觀測。美國西弗吉尼亞大學的Lorimer等人在分析澳大利亞的帕克斯射電望遠鏡（Parkes Telescope）脈衝星巡天數據時，發現了2001年7月24日的一個奇怪信號，它持續了只有短短几毫秒，但其強度卻相當高，而之後也沒有像脈衝星那樣重複發生。後來根據爆發的日期它被命名為FRB010724，不過，Lorimer等人是在隨後幾年對存檔數據進行分析時才發現它的，正式發表時已經是2007年了，它被稱為Lorimer 暴。

當然，突然出現的脈衝信號未必真的來自天體，更多時候這樣的信號其實是人工產生的電磁干擾——附近的居民撥打手機、空中飛機反射雷達回波、太空中衛星向地面站發送數據，汽車的火花塞打火等等，這些過程產生的電波都會被靈敏的射電望遠鏡探測到。不過很多干擾我們可以根據其明顯的特徵把它們過濾掉：通訊、雷達等信號通常都有特定的頻率，或者有明顯的時間周期，很容易被識別為人工信號。但是也有一些干擾信號沒有特定的頻率，因此無法完全濾除。

不過，來自天體的脈衝信號還有一個相當獨特的特徵，是一般的人工信號所沒有的：色散延遲。不同頻率的電磁波在介質中的傳播速度不同，這個現象叫做色散。我們熟悉的雨後彩虹就是一種色散現象——不同顏色的日光在穿過水滴時有略微不同的速度，從而形成不同的折射角，最終就形成了彩虹。我們一般把地球之外的太空說成是真空，其實太空並不是完全的真空，而是也分布著稀薄的、電離化的氣體，只是它們的密度比地球大氣低很多。從脈衝源發出的射電信號在穿過這些等離子體時也會發生色散，到達地球的時間也會隨頻率而有所不同，低頻率的到達會晚一些，這就是所謂色散延遲，延遲的時間反比於頻率的平方。地面人為干擾信號的色散延遲一般很小，而來自宇宙深空的電磁波信號則有相當可觀的色散延遲。Lorimer 等人發現的脈衝信號就有明顯的色散延遲，提示我們它來自太空。

左：Lorimer burst,橫坐標是時間，縱坐標是頻率。可以看到一條明顯超出雜訊之上的黑色弧形，頻率越高的信號到達時間越早，插入的小圖繪出了經過消色散處理後還原的脈衝信號波形（Lorimer et al. 2007)。右：2008年的一個Peryton 信號，上面是還原的脈衝信號，可以看到它也大致符合平方反比色散關係，但其輻射集中在某些頻率上。

Peryton與微波爐

但是，有色散延遲的信號是否就一定來自太空呢？從1998年以來，Parkes 望遠鏡就不時探測到一些奇怪的信號，這些信號看上去也有色散延遲，儘管延遲時間有時並不完全與頻率平方成反比，並且信號在某些頻率強，某些頻率弱。這些信號被命名為Peryton。經過多年的研究後，2015年它們最終被確認是附近的微波爐產生的。

在一些新聞媒體的報導中，這被說成是天文學家鬧烏龍，比如有一篇文章就把Peryton 與超光速中微子、冷核聚變、小保方晴子的幹細胞等等放在一起，列為學術圈的13出經典烏龍事件，研究它們的人成了被嘲笑的對象。但是其實這並不是一個烏龍事件：幾乎從一開始，研究它們的天文學家們就認為這些脈衝很可能是地球上的電磁干擾，而不是真實的天文信號。這是因為，Parkes望遠鏡是用十三波束接收機探測這些信號的，這十三個波束指向略有不同的方向，但之間也略有重疊。如果信號來自太空，那麼其中一個或少數幾個應該有很強的信號，而其它波束則沒有信號，或只有很弱的信號，Lorimer 暴以及後來發現的其它快速射電暴就正是如此。然而Peryton 事件則不同，13個波束收到的信號強度都差不多，說明信號可能並不來自天線所指的方向，而是某種近處的干擾電波。正因為如此，天文學家們才給它起了Peryton 這個名字——這是傳說中的一種四不像怪獸的名字。

但是，雖然天文學家早有這種懷疑，卻並未隨便把這一現象放過去，而是對它進行了仔細的研究。然而，要弄清其確切的來源並不容易。望遠鏡附近的微波爐是一個很容易想到的干擾源，但微波爐其實和雷達一樣，都有特定的工作頻率，而且其本身有設計良好的法拉第籠屏蔽著，正常工作時並不會產生Peryton 那種含有寬頻並具有色散延遲特徵的信號。後來天文學家們與製作微波爐的技術專家交流，並經過進一步的分析和實驗才發現，當微波爐正常工作時確實並不產生Peryton 信號。但是，偶爾人們會不等到微波爐的預定加熱結束就拉開微波爐的爐門，這時微波爐的控制電路會自動切斷供電，但每個學過交流電路的人都知道，這時電流不會馬上消失，而是會持續一個由電路阻抗決定的短暫時間; 同時, 產生微波的磁控管內的電子也需要一點時間才會完全消失，因此在零點幾秒內微波爐還會產生一些輻射，而恰恰此時微波爐門打開，微波可以逃逸出來，並且這一過程還有一定的隨機性，從而產生了這些奇怪的脈衝信號。天文學家們是經過了仔細的分析排查，才最終發現了Peryton信號的來源。因此，Peryton 並非烏龍事件，恰恰相反，正是靠著這種堅持不懈、不放過任何一點蛛絲馬跡的研究，真相才最終得以澄清。

Lorimer 之後， 2013年Thornston 等又發現了4個快速射電暴事件。與Peryton不同，這些事件都嚴格遵守頻率平方反比關係的色散延遲和並有確切的爆發方向，人們開始相信確實存在快速射電暴。通過後來的觀測以及搜索之前的存檔數據，到了去年已發現了11個事例。我們在巡天數據中篩選了六千多個疑似信號後，也終於找到了一個發生於2011年5月23日的信號，完全滿足色散延遲關係。這是GBT望遠鏡發現的第一個快速射電暴信號，根據爆發的日期命名為FRB110523。

來自何方

在排除了地球來源後，下一個問題就是這些射電暴究竟來自何處？然而這一問題並不容易回答。由於波長很長，單天線射電望遠鏡受到電波衍射極限的限制，解析度一般都不高。像我們使用的GBT望遠鏡，已經是目前最大的可動單天線望遠鏡了，但在我們觀測的這一頻段內波束寬度也達1/4度——這是一個相當大的角度，在這個範圍內有很多天體，無法判斷快速射電暴來自其中的哪一個。不過，雖然如此，已發現的射電暴都遠離銀道面，說明它們很可能與銀河系沒有太大關係——要不它們就是遠在銀河系之外，要不它們就是很靠近太陽系。但是，如何定出快速射電暴的距離？這是個難題。要知道，當年可是花了二十多年才最終證實GRB來自宇宙距離！

1色散的啟示

回答這一問題的第一個線索就是我們上面談到的色散延遲：這些電波穿越的等離子體越多，引起的色散延遲就越大。我們早就知道，銀河系內的脈衝星都有一定程度的色散延遲，這是銀河系內的星際介質造成的。快速射電暴的色散延遲遠大於銀河系內的許多脈衝星，這意味著它們很可能比這些脈衝星更加遙遠——遠超出銀河系之外。銀河系外的宇宙空間中也分布著比星際介質更為稀薄的氣體，稱為星系際介質，如果假定這些色散是由星系際介質引起的，那麼這些信號需要穿越非常遠的距離才能產生如此強的色散。不過，如果它們距離這麼遙遠，這也意味著這些射電暴非常亮，那麼它可以應用於很多未來的天文學研究，包括測定宇宙距離、測量宇宙中的電子密度、甚至檢驗愛因斯坦等效原理乃至量子引力理論等。將來觀測的數量多了以後，還可以通過色散延遲空間的畸變分析宇宙物質分布的成團性，測量宇宙大尺度結構。

但是，也存在另一種可能：信號穿過了一團密度比較高的等離子體雲，那麼即使距離不大，也同樣可以產生強色散信號。許多天體本身就被包裹在一些較高密度的雲中，因此這些大色散也可能是在射電爆發生之處產生的，那麼它們也許離我們並不那麼遙遠。哈佛大學的Loeb教授甚至提出，也許這些射電暴就來自我們附近的恆星耀斑，這些恆星周圍存在類似我們太陽周圍的日冕那樣的高密度等離子體，這些等離子體產生了大色散延遲。

2偏振效應

那麼，究竟哪一種是實際發生的情況呢？FRB110523的觀測數據能否幫助解開這個謎團呢？與之前發現的十幾個快速射電暴相比，FRB110523同樣具有很大的色散延遲，而其獨特之處是，我們在這次觀測中獲得了完整的偏振信息。

電磁波是一種電磁場的振蕩，偏振指的是其電場振蕩的方向。此前的許多觀測只給出了信號的總強度，而沒有對不同偏振分別記錄。我們探測到的這一射電暴記錄了不同的偏振信息，並探測到了明顯的線偏振，也就是說這一電波的電場是沿著某一條直線的方向。更有意思的是，當改變頻率時，這個方向會不斷旋轉，這就是我們熟悉的法拉第效應，是電磁波穿過有磁場的等離子造成的。實際上，法拉第效應也是一種色散延遲效應。在磁場的作用下，電波的傳播速度不僅與頻率有關，也與偏振有關，從而造成了線偏振方向的旋轉。因此，如果同時能測定色散延遲和法拉第效應的大小，並且假定這兩種效應是由同一團等離子體產生的，就可以測出等離子體平均磁場強度。

對FRB110523的測量表明，其平均磁場強度大約是0.38微高斯——這是地磁場強度的百萬分之一，但比宇宙的平均磁場強度高几倍。從這一結果我們推測，FRB110523的法拉第旋轉很可能來自其周邊爆發源周圍的氣體，而不是宇宙長距離傳播中遇到的稀薄星系際介質。如果它的色散也來自這些氣體，那麼FRB110523的距離可能並不那麼遙遠——在銀河系之外，但並非宇宙距離。然而遺憾的是，這種推論並不嚴格，因為也存在另一種可能性，那就是信號的法拉第旋轉來自一團有較強磁場但色散不大的等離子體（比如爆發源周圍的星雲或它所處的星系），而大部分色散則來自宇宙距離的傳播。單單這一個快速射電暴的數據還無法讓我們區分這兩種情況。不過，將來如果我們能測到更多快速射電暴的法拉第旋轉，通過比較這些源的法拉第旋轉量與色散延遲量的統計關係，也許可以回答這個問題。

雖然FRB110523的數據還無法完全解開快速射電暴之謎，但它還是得到了一個比較明確的結論：快速射電暴不可能是來自銀河系內的耀星。耀星周邊的等離子體密度又太高了，色散延遲與頻率的平方反比關係只對稀薄的等離子體成立，耀星周邊的高密度等離子體會產生偏離這一關係的色散延遲。但我們觀測表明，這一關係非常精確地成立，可以排除這種模型。

3閃爍和散射

FRB110523還展現了另外兩個有趣的現象，在脈衝星研究中通常稱為閃爍和散射。實際上這兩種現象是同一種物理機制導致的：電磁波經過不均勻的星際介質時發生偏折，使得到達射電望遠鏡時的電磁波經過了不同的路徑。這種路徑差使得觀測到的信號時而干涉相加、時而干涉相消，稱之為閃爍現象。閃爍現象其實非常普遍，我們通常說的星星「眨眼睛」便是光學波段的閃爍現象。但是，當這種偏折產生的路程差太大時，電磁波就不再相干了，而會產生一些不相干的波包，使時間序列信號的形狀不再是對稱的脈衝，而是在脈衝過後幅度緩慢下降，出現一個「小尾巴」。我們在FRB110523的脈衝信號中同時發現了閃爍和散射現象。

其實無論是散射，還是閃爍，在脈衝星的觀測中都是習以為常的現象，通常是因為脈衝星信號穿越銀河系星際介質產生的。既然如此，我們便比較了FRB110523天空方向一顆脈衝星的類似特徵。我們發現，FRB110523的閃爍現象與這顆脈衝星的閃爍現象相似，說明產生閃爍的介質應該是銀河系的星際介質。閃爍現象發生要求這一源的視尺寸非常小（這就是為什麼恆星會眨眼睛而行星不會）。然而這一快速暴的散射與閃爍現象具有非常不同的時標特徵，因此推斷其散射應源於另外的介質，很有可能是快速射電暴源附近的氣體，或者是它所在的宿主星系內的星際介質。關於FRB20110523的分析結果最終於2015年12月發表在Nature 上。

GBT觀測到的快射射電暴（藝術想像圖，喻京川繪）

外星人、脈衝星、黑洞和引力波

伽瑪射線暴(GRB)當年曾有過上百種解釋。快速射電暴(FRB)的模型雖然沒有那麼多，但也是眾說紛紜。其中，最令人腦洞大開的解釋是認為它是外星人的信號。去年4月1日，德國的Micheal Hippke等人發表的一篇論文預印本稱，當時已知的11個FRB事件的色散延遲量都是187.5 的倍數，這是極不可能自然發生的，因此這也許說明FRB並非自然事件，而是外星人通過某種機制產生的，許多媒體在報導快速射電暴時都首先提起這一解釋，卻沒注意到這其實是個愚人節玩笑。

射電望遠鏡的視場很狹小，因此絕大部分快速射電暴我們都錯過了，只觀測到了很少的一部分。按照目前發現的快速射電暴數目推算，每天都會產生幾千甚至上萬次快速射電暴，而這些爆發又必須具有巨大的能量才能被我們觀測到。此外，這些事件發生的時標必須相當短，才可能產生如此短促的脈衝。天文學家據此提出了許多可能的理論模型，但大部分都基於緻密天體，如中子星、白矮星、黑洞等。例如，磁星體(magnetar) 閃耀、年輕脈衝星的強脈衝爆發等，與脈衝星發生的一些爆發現象有類似性。其實，脈衝星的某些爆發到底是什麼原因，迄今也並不清楚。所以，快速射電暴來自這些爆發也是完全有可能的。

也有些研究人員認為，快速射電暴可能起源於更劇烈的事件，例如兩個中子星的並和。之前有人研究分析了雙中子星並和時產生射頻電波可能的輻射機制，但是這些輻射機制不會產生像快速射電暴這樣尖銳的脈衝。

Totani（2013）的分析指出，如果在雙中子星並和的最後階段，中子星磁偶極子錯位斷裂，或者其磁層中的等離子體效應有可能產生巨大的射電脈衝輻射，他推算的這種事件的產生率與快速射電暴的爆發率相當。也有研究人員認為，雙白矮星並和也可以產生類似的射電脈衝，其爆發幾率、輻射流量以及脈衝寬度在一定的條件下都可以與快速射電暴吻合。黑洞在滿足某些條件時，也可以產生巨大的能量輻射。比如有研究認為宇宙中存在的微型黑洞在湮滅時、或者黑洞在吞噬中子星時都有可能產生強烈的射電脈衝輻射。

2015年9月，升級後的LIGO探測器首次捕捉到來自雙黑洞並和產生的引力波信號，這一結果於2016年2月公布後，在國際上產生了巨大的影響。天文學家推算宇宙中普遍存在這種雙黑洞並和事件。但是與雙中子星合并、或者是黑洞吞噬中子星伴星不同，通常認為雙黑洞並和不會產生強烈的電磁輻射，而只會產生引力波，因此初看起來引力波與快速射電暴似乎沒有什麼關係。然而，拉斯維加斯內華達大學的張冰教授指出，如果並和的兩個黑洞中的一個或兩個帶有微量電荷，在黑洞幷合時就會產生強烈的射電爆發，這樣的話大部分的黑洞並和都可能會伴隨快速射電暴信號；如果黑洞攜帶更多的電量，還有可能產生伽馬暴。這是一種非常有意思的可能性。如果同時觀測到引力波和快速射電暴，這將為我們了解黑洞提供非常多的信息。

新進展

近來有一系列關於快速射電暴的新發現，我們的FRB110523隻是其中之一。就在我們在存檔數據中發現FRB110523的前後，帕克斯射電望遠鏡又發現了一顆快速射電暴，FRB150418。由於這一發現是當時做出的，因此人們馬上用澳大利亞緊密陣(ATCA)對其所在的位置進行了後續觀測，發現了一個射電變源信號，有可能是這一快速射電暴的餘輝。由於干涉陣列有更高的解析度，研究人員迅速鎖定了這個「餘輝」所在的星系，進而根據光學波段觀測數據，得到了星系的紅移：這一星系的紅移是0.49。不過，在隨後的分析中發現，這一星系有個活躍的活動星系核，所謂餘輝也許只是這一活動星系核碰巧此時開始變亮而已，而未必真的與那一快速射電暴有關。不過關於這一案例仍有不同的意見，當初觀測到的射電信號是快速射電暴的餘輝可能性也不能排除。

快速射電暴與脈衝星有諸多的相似之處，而最大的不同是脈衝星會按照一定的頻率重複出現脈衝信號，而快速射電暴不會。但我們也知道，脈衝星的每個脈衝並不一樣，有時一些脈衝星會突然產生一次特彆強的脈衝。那麼，快速射電暴是否有可能就是遙遠的河外星系中某個脈衝星產生的這種特彆強的脈衝？

最近，Paul Scholz在阿雷西博（Arecibo)望遠鏡的數據中發現了10次快速射電暴脈衝，而這次發現的10次脈衝信號，與此前發現的FRB121102具有一致位置與色散延遲，因此可以推斷它們來自同一天體。這是首次發現具有重複脈衝的快速射電暴，迅速拉近了快速射電暴與中子星的關係，這很有可能是一顆位於遙遠的河外星系中年輕、並且高度磁化的中子星。不過，其它快速射電暴暫時還沒有發現重複脈衝，因此是否所有快速射電暴都是如此？還是快速射電暴有可能存在多種不同的起因，有的重複、有的不重複？這還有待進一步的研究。

展望未來

在短短的幾年中，快速射電暴這種來自宇宙深處的神秘信號引起了天文學界廣泛而熱烈的討論，許多射電天文台開始留意並重新檢索存檔的觀測數據；幾個大型的射電望遠鏡也正加裝實時觸發設備，以捕捉到更多的快速射電暴信號。

我們的研究小組也在討論如何更多、更快的搜索到快速射電暴信號。大視場的望遠鏡可以同時監視更大範圍的天空，更有利於搜尋到大量的快速射電暴信號。我們在新疆巴里坤紅柳峽建設的暗能量射電探測實驗陣列（又名天籟陣列）是為觀測大尺度結構和暗能量研製的，具有監視大面積天區的能力。目前這一陣列剛剛建成，如能添加必要的設備，也可同時具備探測快速射電暴的能力。我們希望有關領導和管理部門能予以重視，及時予以支持。

宇宙為天文學家們安排了種種意想不到的驚喜，快速射電暴也正是這樣一種奇妙的事件。隨著研究的深入，她的神秘面紗將逐漸被揭開。

作者簡介

李毅超：現為中科院國家天文台助理研究員，即將赴南非誇祖魯-納塔爾大學從事博士後研究。

牛晨輝：華中師範大學與國家天文台聯合培養博士生。

陳學雷：國家天文台宇宙暗物質暗能量團組首席研究員、中國科學院大學教授。從事宇宙學研究，主持暗能量射電探測實驗(又稱「天籟計劃」)，已發表論文一百餘篇。獲國家傑出青年科學基金，入選中科院「百人計劃」、國家「百千萬人才工程」等。

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