重建射電暴“犯罪”現(xiàn)場

Sora

位于加拿大不列顛哥倫比亞省的CHIME射電望遠(yuǎn)鏡每天發(fā)現(xiàn)多達(dá)10個快速射電暴

2018年圣誕節(jié)和2019年元旦之間，哥倫比亞大學(xué)的天體物理學(xué)家布萊恩·梅策格爾，意識到他有藏著天文學(xué)中最頑固奧秘之一答案的線索。

他在發(fā)現(xiàn)線索后努力追蹤，擔(dān)心一點點錯誤會毀掉一切成果，或者其他人先將合理的部分拼湊起來。梅策格爾表示：“我正在與時間賽跑，因為其他人也可能會看到這一點。”

解謎游戲

梅策格爾與世界各地的其他研究人員在過去幾年中集思廣益，一起研究快速射電暴的奧妙。快速射電暴是劇烈且無法解釋的毫秒長無線電信號，它們突然出現(xiàn)在天空中，短暫蓋過了我們銀河系中的無線電脈沖—盡管它們距離我們，比銀河系中的脈沖星與我們的距離要遠(yuǎn)上百萬倍。

2013年之前，許多天體物理學(xué)家懷疑它們是否真的存在。那之后的幾年里，研究人員發(fā)表了許多關(guān)于快速射電暴產(chǎn)生原因的解釋。僅一個統(tǒng)計目錄下就包括了48種不同理論，理論數(shù)目到最近已經(jīng)超過了事件次數(shù)本身。

快速射電暴理論由兩個部分組成，這兩個部分類似于宇宙規(guī)模的解謎游戲中的“嫌疑人”和“武器”?！跋右扇恕笔且环N可以釋放巨大能量的天體物理野獸?！拔淦鳌笨梢詫⑦@種能量轉(zhuǎn)化為一種令人頭疼的、不尋常的無線電信號。

快速射電暴可能是中子星合并的結(jié)果。

現(xiàn)在，梅策格爾和他的同事重建了“犯罪”現(xiàn)場。3月的早些時候，他們在網(wǎng)站arxiv.org上發(fā)布了一篇論文，該論文勾勒出了快速射電暴在空間混亂的粒子和磁場云層爆炸時是如何產(chǎn)生的。

該模型不要求使用磁星作為爆炸源，這么一來就很容易建模。磁星是一顆年輕的中子星，有時會像日冕中的粒子拋射那樣打出帶電粒子。每一次新的爆炸都會被代入周圍的雜波中。爆炸發(fā)生時，就會產(chǎn)生沖擊波，這個沖擊波會被宇宙的另一角落觀察到短暫的、激光般的無線電波閃光。

天文學(xué)家真正在意的是，梅策格爾的理論為未來的快速射電暴的形態(tài)，作出了非常具體的預(yù)測，這些預(yù)測將很快被用于測試。一臺名為CHIME的新型加拿大射電望遠(yuǎn)鏡，預(yù)計將在2019年晚些時候全面投入運營，預(yù)計它每天將發(fā)現(xiàn)1～10個快速射電暴。

2018年夏天的初步測試期間，它發(fā)現(xiàn)了13個射電暴，結(jié)果在2019年1月發(fā)布?！拔艺J(rèn)為，在接下來的一年時間左右，我們將能夠很好地測試這一點?！丙溂獱柎髮W(xué)天體物理學(xué)家、CHIME快速射電暴團(tuán)隊成員什里哈什· 滕登卡爾說。

“兇手”中子星

梅策格爾和他的同事本·馬爾加里特、洛倫佐·希洛里發(fā)表的理論，建立在迄今為止快速射電暴案例最大的突破上。

2016年，在德國波恩的馬克斯·普朗克射電天文學(xué)研究所，勞拉·斯皮特勒爾領(lǐng)導(dǎo)的一個團(tuán)隊，基于有史以來第一個重復(fù)出現(xiàn)的快速射電暴，公布了他們的結(jié)果。

以前，觀測到的射電暴活動都是一次性的。天文學(xué)家無法追蹤它們在天空中的位置。但是這一個射電暴在不可預(yù)測的時間間隔之后，再次神秘爆發(fā)。

射電天文學(xué)家很快就將它的起源定位在一個小的、畸形的矮星系。他們試圖從這些無線電信號中挖掘出線索，最后發(fā)現(xiàn)，它來自極端磁場所挾持的密集等離子區(qū)域。

研究人員還發(fā)現(xiàn)射電暴被更微弱，但不間斷的射電光包圍。2018年11月，天文學(xué)家杰森·海瑟爾斯（與斯皮特勒爾及其他人一起）發(fā)現(xiàn)了一些奇怪的事情：每一次瞬間射電暴爆發(fā)，實際上都包含一些子爆發(fā)，這些爆發(fā)從高頻降到低頻。

20世紀(jì)50年代，物理學(xué)家用核武器的爆炸波來估計它們的當(dāng)量。在這些模型中，核爆炸產(chǎn)生的沖擊波鋒，在向外擴(kuò)張時會擠壓更多的氣體。從沖擊波鋒釋放的輻射，在頻率上會向下移動。

梅策格爾一直認(rèn)為，這種沖擊波效應(yīng)可能回答了快速射電暴頻率的線索。接著，CHIME望遠(yuǎn)鏡在1月初觀察到了另一起重復(fù)事件。這個重復(fù)的射電信號顯示出相同的、向下的頻率變化。

布萊恩·梅策格爾和他的妻子史塔西·托馬斯在2 0 1 9 年的“ 突破獎”頒獎典禮上。布萊恩·梅策格爾獲得了物理學(xué)新視野獎

現(xiàn)在，梅策格爾、馬爾加里特和希洛里已經(jīng)發(fā)布了他們的完整理論模型。想象一下，一顆城市大小的中子星，僅在幾年或幾十年前，由超新星爆發(fā)中鍛造形成，其表面還在不停變動翻滾。這個年輕的磁星會偶爾發(fā)出耀斑，在接近光速的情況下噴射出電子、正電子和更重的離子。

這些東西噴射時，它會遇到之前在耀斑中產(chǎn)生的舊粒子。當(dāng)新的噴射物遇到舊的碎片時，它的內(nèi)部磁場的不穩(wěn)定性加劇。當(dāng)沖擊波向外擠壓時，內(nèi)部的電子沿磁場線旋轉(zhuǎn)，該運動就會產(chǎn)生一陣射電波。隨著沖擊變緩，該信號從較高頻率轉(zhuǎn)變?yōu)檩^低頻率。

等待“判決”

梅策格爾的模型，預(yù)測了未來快速射電暴應(yīng)有的一些特定性質(zhì)。比如：所有未來的快速射電暴，都應(yīng)遵循相同的頻率向下變化。它們可能會顯示出伽馬射線或X射線的存在，而這正是斯皮特勒爾等天文學(xué)家已經(jīng)在尋找的東西。

它們應(yīng)該存在于形成大量新恒星并產(chǎn)生新磁星的星系中。當(dāng)它們重復(fù)出現(xiàn)時，它們應(yīng)該在天文學(xué)家觀察到一次重大閃光后暫停活動。

梅策格爾的模型，現(xiàn)在面臨著其他可行的理論模型的挑戰(zhàn)?？焖偕潆姳┛赡苁侵凶有呛喜⒌慕Y(jié)果，2017年的中子星合并首次同時被望遠(yuǎn)鏡和引力波探測器觀察到。中子星也可能在撞擊其他物體（如黑洞或白矮星）時，自身崩潰變成黑洞，或當(dāng)它們的磁力線被強(qiáng)烈的等離子體風(fēng)吹走時，制造出快速射電暴。

過去5個月中，雖然CHIME剛剛進(jìn)入調(diào)試階段，但研究人員發(fā)現(xiàn)了更多尚未公開發(fā)布的射電暴。團(tuán)隊成員希望在4月開始正式觀察。其他的大型射電望遠(yuǎn)鏡也將投入使用。這將會帶來更多的數(shù)據(jù)。

多年的數(shù)據(jù)匱乏和“白日做夢”之后，快速射電暴現(xiàn)在終于有了揭開謎底的可能。2月中旬，天文學(xué)家們在阿姆斯特丹舉行會議，分享最新的發(fā)現(xiàn)，并討論中子星到底是不是導(dǎo)致射電暴的最終原因。

“這是一個完美的時間點。”研究人員對馬爾加里特在會議上提出的梅策格爾模型進(jìn)行了辯論，但是還沒有承認(rèn)其結(jié)果?！拔覀冋幱谮呁倪吘墸彪强栒f，“我們就先這么說吧?！?/p>