宇宙中每一秒都有快速的無線電爆炸

【博科園-科學科普】2007年天文學家第一次注意到一個快速無線電波(FRB)的檢測。這種高能量的電波脈衝只持續了幾毫秒，似乎來自於我們的銀河系之外。從那時起天文學家們已經發現了大量的證據，這些證據都是在之前記錄數據中發現的，天文學家仍然在推測是什麼原因造成的。

由於後來的發現和研究，天文學家現在知道frb比以前認為的要普遍得多。事實上根據哈佛-史密森天體物理中心(CfA)的一組研究人員的最新研究，在可觀測的宇宙中frb可能每秒鐘都發生一次。如果真是這樣的話frb可能是研究宇宙起源和進化的有力工具。

圖注

這個藝術概念圖展示了宇宙之網的一部分，一個橫跨整個天空的星系的絲狀結構。明亮的藍色這裡顯示的點源是來自快速無線電爆炸(FRBs)的信號，這些信號可能在持續幾分鐘的無線電曝光中積累。來自FRB的無線電信號只持續了幾千分之一秒，但它們應該以高速率發生。圖片：M. Weiss/CfA

這項名為「在可觀測的宇宙中每秒鐘都發生一次快速無線電波」的研究，最近在《天體物理學雜誌通訊》上發表。該研究由阿納斯塔西亞·菲阿爾科夫(Anastasia Fialkov)領導，他是CfA理論與計算研究所(ITC)的博士後研究員和研究員。她是由國際貿易委員會主任亞伯拉罕·勒布教授和哈佛大學的科學教授弗蘭克·b·貝爾德共同教授的。

正如大家所注意到的frb從一開始就一直是個謎。他們的原因不僅是未知的，而且很多關於他們的真實還沒有被理解。正如Fialkov今天通過電子郵件告訴宇宙的：

frb(或快速無線電波)是一種未知性質的天體物理信號。觀測到的爆發是短暫的(或毫秒)，在無線電部分的電磁頻譜(在GHz頻率)。到目前為止只有24次爆發，我們仍然不能確定是哪個物理過程觸發它們。最合理的解釋是它們是由旋轉磁化中子星發射的。然而這一理論有待證實。

為了他們的研究，Fialkov和Loeb依賴於多次望遠鏡的觀測，這些望遠鏡被稱為FRB 121102。2012年研究人員首次在波多黎各使用阿雷西博(Arecibo)射電望遠鏡觀測到這種FRB，此後該望遠鏡已經被證實來自一個位於距離Auriga星座方向30億光年的星系。

由於發現了它所以從它的位置發現了額外的爆發，使FRB 121102成為重複FRB的唯一已知例子。這種重複的性質也使得天文學家能夠比任何其他的FRB進行更詳細的研究。正如Loeb教授今天通過電子郵件告訴宇宙的，這些和其他原因使它成為他們研究的理想目標:

FRB121102是唯一的一個宿主星系和距離被識別的FRB。它也是我們目前為止檢測到數百個FRB的唯一重複的FRB源。其frb的無線電頻譜以一個特徵頻率為中心，而不是覆蓋一個非常寬的頻帶。這對這些frb的可探測性有重要的影響，因為為了找到它們，無線電天文台需要調到他們的頻率。

圖註：

在Auriga的星群中發現了無線電爆裂FRB 121102的天空圖像。可以看到它的位置有一個綠色的圓圈。左邊是超新星遺迹S147，右邊是一個叫做IC 410的恆星形成區域。圖片版權：Rogelio Bernal Andreo (DeepSkyColors.com)

基於已知的FRB 121102,Fialkov和Loeb進行了一系列計算，假設其行為是所有FRB的代表。然後他們預測在整個天空中會存在多少個FRB，並確定在可觀測的宇宙中一個FRB可能會每秒鐘發生一次。

假設frb是由某一特定類型的星系產生的。與FRB 121102相似，可以計算每個星系需要產生多少FRB來解釋現有的觀測值。考慮到這個數字可以推斷出整個星系群的生產速率。這個計算表明在所有的模糊事件中，每一秒都有FRB發生。

雖然frb的確切性質和起源仍然未知——建議包括旋轉中子星，甚至外星智慧！ Fialkov和Loeb表明它們可以用來研究宇宙的結構和演化。如果它們確實在整個宇宙中以這樣的頻率出現，那麼更遙遠的來源就可以作為探測器，天文學家們將依靠它來探測太空的深度。

例如在巨大的宇宙距離之外，有大量的中間材料使得天文學家很難研究宇宙微波背景(CMB)——宇宙大爆炸遺留下來的輻射。對這種中間物質的研究可能會導致一種新的估計，即空間有多密集——即其中有多少是由普通物質、暗物質和暗能量組成的——以及它膨脹的速度有多快。

圖註：

在FRB 121102附近區域的雙子座合成圖像，這是迄今為止發現的唯一重複的FRB。圖片：Gemini Observatory/AURA/NSF/NRC

正如勒布所指出的，frb也可以用來探索持久的宇宙問題，比如宇宙的「黑暗時代」是如何結束的：frb可以用來測量自由電子向其來源的列。這可以用來測量當今宇宙星系間的普通物質密度。此外早期宇宙時代的frb可以用來發現，當第一顆恆星發出的紫外光從大爆炸產生的原始氫原子分裂成它們的組成電子和質子的時候。

「大爆炸」發生在38萬到1.5億年之間的「黑暗時代」，其特徵是氫原子與光子相互作用的「霧」。因此這一時期的輻射是我們現有儀器無法探測到的。目前科學家們仍在試圖解決宇宙如何在「黑暗時代」和隨後的時代之間過渡，當時宇宙充滿了光明。

這一時期的「具體化」，發生在大爆炸後的1.5億到10億年間，是第一批恆星和類星體形成的時候。人們普遍認為宇宙中第一顆恆星的紫外光向外傳播，使氫氣電離(從而清除了霧)。最近的一項研究還表明，早期宇宙中存在的黑洞產生了必要的「風」，使電離輻射得以逃逸。

為了達到這個目的frb可以用來探測宇宙的早期階段，並確定是什麼導致了「霧」，並允許光線逃逸。研究非常遙遠的frb可以讓科學家研究在什麼時候、何時以及如何發生「具體化」的過程。展望未來Fialkov和Loeb解釋了未來的射電望遠鏡將如何發現許多frb。

圖註：

計劃中的平方公里陣列將是世界上最大的射電望遠鏡，它將於2018年開始運行。圖片版權：SKA

未來的無線電天文台，如平方公里陣列將足夠敏感，可以探測到在可觀測宇宙邊緣的第一代星系的frb。我們的研究首次給出了在嬰兒宇宙中點燃的第一波無線電波的數量和特性。

然後是加拿大的氫強度測繪實驗(CHIME)，在不列顛哥倫比亞省的自治州無線電天體物理觀測站最近開始運行。這些儀器和其他儀器將成為檢測frb的有力工具，而這些工具反過來又可以用來查看以前看不見的時間和空間的區域，並解開一些最深奧的宇宙奧秘。

下一代望遠鏡(比現有望遠鏡的靈敏度要高得多)比今天觀測到的要多得多。這將允許描述FRBs的數量並確定它們的來源。理解frb的本質將是一個重大突破。一旦這些來源的性質已知，frb就可以作為宇宙的燈塔來探索宇宙。一種應用是研究電離化的歷史(星系間氣體被恆星電離時的宇宙相變)。

這是一個靈感的想法，利用自然的宇宙現象作為研究工具。在這方面使用frb來探測太空中最遙遠的物體(以及我們所能回溯到的時間)，就像使用類星體作為導航信標一樣。最後增進我們對宇宙的了解，可以讓我們探索更多的宇宙。

參考：CfA, Astrophysical Journal Lette

作者：Matt Williams

來自：Universe Today

編譯：中子星

審校：博科園

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