奇怪信號造訪地球破解天文學最深的謎

澳大利亞帕克斯射電望遠鏡在2001 年發現射電爆發。圖片來源：Wayne England

沒有宇航員曾經見過這個，也沒有理論家曾預測過它。

2001年8月24日，一次持續5毫秒的射電爆發光臨地球。沒有人知道這些射線來自哪裡，似乎是數十億光年外的地方。

「它如此明亮，我們無法不理會。」該信號的聯合發現者、美國西弗吉尼亞大學天文學家Duncan Lorimer說，「但我們也不知道用它做些什麼。」研究人員在整理澳大利亞帕克斯射電望遠鏡數據時發現了這些信號。

這類轉瞬即逝的射電爆發通常來自脈衝星——旋轉的磁性恆星。但Lorimer認為這是單一性事件，且比以往所知的脈衝星爆發更有能量。

這不僅讓人聯想起英國天文學家約瑟琳·貝爾·伯奈爾1967年探測到來自太陽系外的神秘脈衝信號。她認為信號來自於一個地外智能文明，但後來證明這些信號 的源頭是快速旋轉的脈衝星。這次，天文學家又捕獲到令他們困惑的神秘信號，於是產生了一個疑問，即是否接收到來自外星人的信息？

在與前導師、澳大利亞斯文本科技大學天體物理學家Matthew Bailes徹底分析了數據後，Lorimer開始意識到該發現的重大意義。它的來源似乎與預計的一樣遠，幾毫秒內爆發的能量就相當於5億個太陽。「我們開始相信這確實不平凡。」他說。

但之後再沒有任何爆發，於是最初的激動變成了懷疑。射電天文學家開始懷疑這種神秘峰值：很多事件都能導致這一現象，例如行動電話信號、雷達探測信號、特殊天氣現象和設備故障等。不過，令人欣慰的是，之後幾年又有研究小組發現了這些信號。

2012年，現工作於德國波恩馬克斯普朗克射電天文學研究所的EvanKeane和同事發現了類似的事件；英國曼徹斯特大學的Dan Thornton及其同事一次發現了6起這樣的事件。現在，2001年的事件被認為是奇特新來源的快速射電爆發（FRB），這也是天文學上最複雜的神秘現 象之一。

無論這些信號是什麼，隨著觀測到更多的FRB，科學家能夠收集到比之前研究更多的細節。分析表明FRB非常頻繁，天空中每10秒就會產生一次爆發。但人們 仍然無法解釋。理論家認為它們可能來源於正在蒸發的黑洞、中子星碰撞和大規模磁場爆發。但美國哈佛大學天文學家Edo Berger表示，即便最好的模型也無法解釋所有觀察值。

不過，答案可能很快就會清晰。全世界的望遠鏡都在尋找這種神秘爆發。其中，加拿大氫強度映射實驗（CHIME）似乎在一天內發現了12次FRB，相關成果將於2017年底在線發表。

「該領域正在不斷被探索。」Bailes說。

好奇驅使

天文學家似乎對「洛里默爆發事件」更有信心。2010年剛完成天體物理學博士學位的Sarah Burke-Spolaor搜羅了帕克斯射電望遠鏡的舊數據，以尋找更多的爆發事件。結果她發現了16個信號。

這些信號大部分與「洛里默爆發事件」顯著類似。但它們也表現出了「分散性」，這意味著探測器出現高頻波浪數百毫秒後才出現低波浪。而這種分散效應是Lorimer和Bailes發現的來自銀河系外的經典爆發事件令人信服的最重要證據之一。

離子氣體雲中的星際電子更多以低頻波浪相互影響，這就會輕微影響低頻波到達地球的時間，並延長該信號。而在「洛里默爆發事件」里，這種延遲如此廣泛，以至這種波必須穿越大量物質——比銀河系內的物質多得多。

不幸的是，Lorimer和Bailes的發現過於平淡，而Burke-Spolaor的信號則與原始信號存在一個重要不同點：它們似乎從四面八方湧進 來，而不僅僅是望遠鏡指向的方向。科學家將其命名為佩利冬（perytons）——神話中的有翼生物，並發現這些爆發可能源於閃電或一些人造來源。但它們 也許不是天外來客。

Lorimer 決定暫時推遲FRB研究。「我還沒有獲得終身職位，因此不得不去做更主流的項目。」他說。而Bailes團隊則在繼續，並增加了帕克斯射電望遠鏡使用時間 和頻率分析。2013年，他們發現類似「洛里默爆發事件」的4個FRB候選者。但一些局外人仍對這些射線來自太空保持懷疑，一個重要原因是所有的FRB均 由一個團隊使用同一架望遠鏡獲得。「我非常希望其他地方的其他人也能探測到。」Bailes說。

2014年，他的願望成真。德國馬普學會射電天文學研究所天文學家Laura Spitler小組利用波多黎各阿雷西博射電望遠鏡發現了一次爆發。「我欣喜若狂。」Bailes說。荷蘭射電天文學研究所天體物理學家Emily Petroff表示，這個發現讓大多數人相信FRB是真實存在的。但它們仍深陷迷霧。

2015年，Petroff團隊表示已經知道佩利冬可能來自地球，並將目標鎖定為微波爐。研究人員發現，只有在天文台廚房的那台微波爐還在運行時，強行打 開爐門，微波爐突然停止工作，就會從爐門泄漏出一些微波輻射，而同時，望遠鏡的天線正好朝向這邊。「我們已經解決了佩利冬之謎，並增加了我們對FRB是真 實存在的信心。」Petroff說。

靈感爆發

但人們依然不知道FRB到底是什麼。這個極簡訊號只有5毫秒，這暗示著來源必須是一個緻密物體，直徑不超過100公里—— 一個恆星質量黑洞或一顆中子星。

荷蘭奈梅亨拉德伯德大學Heino Falcke和德國波茨坦馬普學會重力物理學研究院Luciano Rezzolla認為，當一顆超新星爆發產生了一顆略微超重的緊密中子星時，就會發生FRB。

今年年初，Spitler團隊報告稱至少有一個FRB來源反覆出現：阿雷西博射電望遠鏡所得的數據揭示在兩個月時間裡發生了一次爆發颶風，一些僅相隔幾分 鍾。這一現象已被綠色銀行望遠鏡證實。直到那時，每個被觀察到的FRB都是單一性事件，暗示了源頭出現災難性爆發或碰撞，並被破壞。

而重複出現的FRB則意味著其源頭幸免於難。因此，Petroff表示，「我猜它與中子星有關」——不需要自我毀滅就能發射脈衝。Spitler也表示同意。例如，她指向蟹狀星云：超新星爆發的產物。

1054年人們曾觀察到此次爆發，之後出現了被灼熱氣體包圍的迅速旋轉的脈衝星。Spitler表示，該星雲偶爾釋放極其明亮的光和射電閃爍。如果它位於遙遠的星系，並出現能量急劇提升，它將發射出類似FRB的東西。

Spitler指出，如果一個源頭重複出現，最簡單的解釋是其他望遠鏡對FRB不夠敏感，或不夠幸運，無法觀察到。也有人認為只有部分FRB能重複。「如果我們發現2~3個FRB群，我一點也不驚訝。」Petroff說。

一段長路

另一個重要問題是，FRB距離地球有多遠。被觀察到的20次爆發隨機分散於太空，其源頭似乎都位於銀河系之外。但美國哈佛大學物理學家AviLoeb表示，如此長的距離意味著源頭能量輸出超乎想像。

「如果爆發能重複，那源頭不能被破壞，因此也不能釋放如此多的能量。」Loeb說。「能量輸出能限制它的距離。」或許，FRB的源頭是銀河系內的中子星，而分散的主要原因是未知電子云覆蓋著它們。

但也有人認為系內存在如此稠密的星雲應當在其他波段被發現。美國加州理工學院天體物理學家Shri Kulkarni梳理了數個望遠鏡的銀河系源數據，結果一無所獲。Kulkarni之前認為FRB來自銀河系內，但現在他相信FRB是系外來客的證據是壓 倒性的。不過，Kulkarni沒有排除FRB源頭位於星系內的可能性，或許在10億光年外，而非數十億光年外。

無論如何，這個問題的答案對觀察者而言將意味深遠。如果FRB信號穿越等離子云，它們將攜帶臨近星系的天氣預報。如果它們確實來自深空，那將有助於解決長期存在的宇宙之謎。

但首先天文學家需要找到更多的FRB，並確定其位置。「直到現在，我們都只是在黑暗中摸索。」Berger說。完成該目標的方法之一是實時從射電望遠鏡數據中提取FRB，以便其他天文台的科學家能在多波段觀測到爆發。

2月，該策略似乎取得成功，一個獨立團隊在帕克斯射電望遠鏡觀察到FRB信號兩小時內進行了追蹤，並暫時將其定位在一個60億光年外的星系中。雖然，進一步觀測對這一結論提出質疑，但Lorimer仍表示，該方法在未來會成功。

如果FRB來自宇宙深處，Loeb表示，定位它們將是一個重大突破，或有助於探索宇宙中失落的物質。不過，FRB也可能是沒有人想到的東西。「自然界遠比我們想像的豐富。」他說。（張章）

《中國科學報》 (2016-07-26 第3版 國際)

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