謎一般的快速射電爆發(fā)

苗千

自從人類在21世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)了快速射電爆發(fā)（Fast Radio Burst）現(xiàn)象之后，這種奇異的宇宙現(xiàn)象就開(kāi)始逐漸吸引起越來(lái)越多天文學(xué)家的注意。

十幾年過(guò)去了，針對(duì)這種來(lái)自銀河系之外的奇異現(xiàn)象，天文學(xué)家們做出了各種模型和假設(shè)，甚至還懷疑過(guò)這是地外生命發(fā)送的某種帶有數(shù)學(xué)規(guī)律的信號(hào)?，F(xiàn)在，它已經(jīng)成為天文學(xué)研究中的最大謎團(tuán)。

理論模型與實(shí)際觀測(cè)之間的巨大差異可能是天文學(xué)研究中最有趣、也最令天文學(xué)家們感到痛苦的地方，出人意料的新發(fā)現(xiàn)隨時(shí)可能不期而至。在2007年，美國(guó)西維吉尼亞大學(xué)的天文學(xué)家鄧肯·洛里默（Duncan Lorimer）在分析澳大利亞帕克斯天文臺(tái)以往的觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了天文臺(tái)64米口徑的射電望遠(yuǎn)鏡在2001年8月24日接收到一組短促的信號(hào)——一組只持續(xù)了5微秒?yún)s足夠醒目的射電信號(hào)。這個(gè)如今被稱為“洛里默爆發(fā)”（Lorimer Burst）的信號(hào)卻讓當(dāng)時(shí)的洛里默感到無(wú)所適從，因?yàn)椴粌H沒(méi)有任何理論可以解釋這組信號(hào)的來(lái)源，人類此前也從沒(méi)探測(cè)到這種奇異的信號(hào)。他開(kāi)始懷疑是否是設(shè)備本身出了故障，比如接收到了周圍的手機(jī)訊號(hào)，或是未明的衛(wèi)星訊號(hào)，或是奇特的天氣現(xiàn)象產(chǎn)生出的電磁波……

隨著更多的天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了與洛里默爆發(fā)類似的信號(hào)，人們才開(kāi)始逐漸意識(shí)到，這樣的宇宙現(xiàn)象并非偶然，而是非常常見(jiàn)，只是人類很少能夠恰好捕捉到而已。但仍然沒(méi)有任何的理論足以解釋這種宇宙現(xiàn)象何以存在。與之類似的，天文學(xué)家們只了解一種高速旋轉(zhuǎn)的中子星——脈沖星（pulsar）可以發(fā)射出周期性的電磁脈沖信號(hào)。但是快速射電爆發(fā)所發(fā)射的能量強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了脈沖星，這讓宇宙學(xué)家們對(duì)這種奇異宇宙現(xiàn)象的源頭充滿了好奇。人們猜測(cè)這有可能是黑洞在吞噬其他天體時(shí)發(fā)出的高強(qiáng)度的輻射，也有人猜測(cè)可能是兩個(gè)中子星碰撞時(shí)所爆發(fā)出的驚人能量——快速射電爆發(fā)可能確實(shí)是由一種毀滅性的過(guò)程所產(chǎn)生的，因?yàn)槿藗兒苌倌茉谕粋€(gè)地點(diǎn)發(fā)現(xiàn)兩次快速射電爆發(fā)。

天文學(xué)家們開(kāi)始在世界各地修建天文臺(tái)，用來(lái)專門觀測(cè)快速射電爆發(fā)現(xiàn)象。其中由加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)、麥吉爾大學(xué)、多倫多大學(xué)和自治領(lǐng)射電天體物理觀測(cè)臺(tái)等幾個(gè)機(jī)構(gòu)合作建設(shè)的加拿大氫強(qiáng)度映射實(shí)驗(yàn)（Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment）將在2017年底完成。隨著地球的自轉(zhuǎn)，這個(gè)巨大的射電望遠(yuǎn)鏡陣列每天都將可以探測(cè)半個(gè)天空的射電信號(hào)，屆時(shí)或許每天都可以發(fā)現(xiàn)數(shù)十次的快速射電爆發(fā)，但是這種現(xiàn)象的成因，對(duì)于天文學(xué)家們來(lái)說(shuō)仍然是一個(gè)謎團(tuán)。

無(wú)論快速射電爆發(fā)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(fā)生在遠(yuǎn)離地球，乃至遠(yuǎn)離銀河系的河外星系。對(duì)于已經(jīng)探測(cè)到的快速射電爆發(fā)現(xiàn)象，天文學(xué)家們使用一種被稱為“差量測(cè)量”（dispersion measure）的方法來(lái)測(cè)量其源頭與地球的距離。這種方法的原理就在于當(dāng)快速射電爆發(fā)產(chǎn)生出不同頻率的電磁波在宇宙空間中穿行時(shí)，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(duì)來(lái)說(shuō)高頻電磁波的路程就更加順暢。因此，當(dāng)?shù)厍蚪邮盏竭@些短促的射電信號(hào)，其中高頻和低頻部分就會(huì)有一個(gè)明顯的時(shí)間差。信號(hào)所經(jīng)過(guò)的路程越遙遠(yuǎn)，高頻與低頻信號(hào)之間的時(shí)間差就越大，于是天文學(xué)家們可以從這個(gè)時(shí)間差大致推斷出射電信號(hào)在空間中經(jīng)過(guò)了多遠(yuǎn)的距離。

計(jì)算出的大致結(jié)果遠(yuǎn)超人們的想象。這些快速射電爆發(fā)的信號(hào)在到達(dá)地球之前都運(yùn)行了55億到100億光年，這個(gè)距離遠(yuǎn)超銀河系的范圍，也就是說(shuō)，快速射電爆發(fā)只能發(fā)生在河外星系中，這讓它更增添了幾分神秘感。

1.美國(guó)西維吉尼亞大學(xué)的天文學(xué)家鄧肯·洛里默2.快速射電爆發(fā)傳到地球3.建設(shè)中的加拿大氫強(qiáng)度映射實(shí)驗(yàn)裝置

最近，對(duì)于快速射電爆發(fā)的觀測(cè)由給天文學(xué)家?guī)?lái)新的謎團(tuán)。在2016年11月出版的《天體物理學(xué)雜志通訊》（The Astrophysical Journal Letters）雜志上，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)的幾位天文學(xué)家報(bào)告了在觀測(cè)到名為“FRB 131104”射電爆發(fā)的同時(shí)，通過(guò)美國(guó)航空航天局的“雨燕衛(wèi)星”（Swift Satellite），在相同的時(shí)間，相同的方向發(fā)現(xiàn)了能量巨大的伽馬射線爆發(fā)。這是人類第一次觀測(cè)到快速射電爆發(fā)伴隨以更高能量的伽馬射線爆發(fā)，這徹底改變了人類對(duì)于快速射電爆發(fā)的認(rèn)識(shí)，從此天文學(xué)家們可以在地面上利用射電望遠(yuǎn)鏡探測(cè)射電信號(hào)，同時(shí)在地球軌道上探測(cè)伽馬射線。如果說(shuō)快速射電爆發(fā)的能量相當(dāng)于宇宙中的一聲口哨，那么隨之而來(lái)的伽馬射線爆發(fā)所攜帶的能量則相當(dāng)于一記重?fù)?。相比之下，伽馬射線的能量相當(dāng)于射電信號(hào)能量的10億倍以上。究竟是什么劇烈的宇宙現(xiàn)象才可能形成這樣的大爆發(fā)？而這次觀測(cè)有沒(méi)有可能幫助科學(xué)家們理解快速射電爆發(fā)的成因？

距離地球100億光年之外的一兩個(gè)天體忽然放射出巨大的能量，在這個(gè)過(guò)程中發(fā)射的射電信號(hào)持續(xù)了幾微秒，而同時(shí)產(chǎn)生的伽馬射線爆發(fā)則持續(xù)了幾分鐘的時(shí)間（這兩個(gè)現(xiàn)象純屬巧合，同時(shí)發(fā)生的概率極低）。有些天文學(xué)家對(duì)于這個(gè)觀測(cè)結(jié)果感到高興，因?yàn)樗麄兊哪Ｐ皖A(yù)測(cè)了快速射電爆發(fā)可能會(huì)伴隨著伽馬射線爆發(fā)。例如磁星（magnetar）——一種具有超強(qiáng)磁場(chǎng)的中子星就有可能反復(fù)產(chǎn)生出高能量的射電信號(hào)，同時(shí)伴隨著伽馬射線;兩個(gè)中子星碰撞合并成為一個(gè)黑洞也可能產(chǎn)生出這種效果。但問(wèn)題是，磁星或中子星的碰撞都遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法產(chǎn)生出如此高能量和長(zhǎng)時(shí)間的伽馬射線。反過(guò)來(lái)說(shuō)，超大黑洞吞噬恒星或超新星爆發(fā)時(shí)有可能產(chǎn)生高強(qiáng)度的伽馬射線爆發(fā)，但是這樣的過(guò)程并不會(huì)伴隨著輻射出射電信號(hào)——這個(gè)謎團(tuán)仍然沒(méi)有解開(kāi)。

天文學(xué)家們或許需要建立更多的模型以解釋各種奇異的宇宙現(xiàn)象，但他們更需要的顯然是更多更精確的觀測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)探測(cè)快速射電爆發(fā)與地球之間的精確距離，天文學(xué)家們或許還可以解開(kāi)另外一個(gè)謎團(tuán)：宇宙中的重子（主要是指質(zhì)子和中子）數(shù)問(wèn)題。目前人們所觀測(cè)到的銀河系內(nèi)的重子數(shù)與理論計(jì)算的結(jié)果相差甚遠(yuǎn)，那么在星系之間的宇宙空間里，是否會(huì)有更多尚未被發(fā)現(xiàn)的重子？人們可以通過(guò)空間中電子的數(shù)量大致推算出重子數(shù)。那么，如果可以精確地探測(cè)到快速射電爆發(fā)的位置，通過(guò)差量測(cè)量方法反推，也就可以計(jì)算出星系空間中的重子數(shù)量了。