奇怪信號造訪地球破解天文學(xué)最深的謎

　　2001年8月24日，一次持續(xù)5毫秒的射電爆發(fā)光臨地球。沒有人知道這些射線來自哪里，似乎是數(shù)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(lián)合發(fā)現(xiàn)者、美國西弗吉尼亞大學(xué)天文學(xué)家Duncan Lorimer說，“但我們也不知道用它做些什么。”研究人員在整理澳大利亞帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)了這些信號。

　　這類轉(zhuǎn)瞬即逝的射電爆發(fā)通常來自脈沖星——旋轉(zhuǎn)的磁性恒星。但Lorimer認(rèn)為這是單一性事件，且比以往所知的脈沖星爆發(fā)更有能量。

　　這不僅讓人聯(lián)想起英國天文學(xué)家約瑟琳·貝爾·伯奈爾1967年探測到來自太陽系外的神秘脈沖信號。她認(rèn)為信號來自于一個(gè)地外智能文明，但后來證明這些信號的源頭是快速旋轉(zhuǎn)的脈沖星。這次，天文學(xué)家又捕獲到令他們困惑的神秘信號，于是產(chǎn)生了一個(gè)疑問，即是否接收到來自外星人的信息？

　　在與前導(dǎo)師、澳大利亞斯文本科技大學(xué)天體物理學(xué)家Matthew Bailes徹底分析了數(shù)據(jù)后，Lorimer開始意識到該發(fā)現(xiàn)的重大意義。它的來源似乎與預(yù)計(jì)的一樣遠(yuǎn)，幾毫秒內(nèi)爆發(fā)的能量就相當(dāng)于5億個(gè)太陽。“我們開始相信這確實(shí)不平凡。”他說。

　　但之后再沒有任何爆發(fā)，于是最初的激動(dòng)變成了懷疑。射電天文學(xué)家開始懷疑這種神秘峰值：很多事件都能導(dǎo)致這一現(xiàn)象，例如移動(dòng)電話信號、雷達(dá)探測信號、特殊天氣現(xiàn)象和設(shè)備故障等。不過，令人欣慰的是，之后幾年又有研究小組發(fā)現(xiàn)了這些信號。

　　2012年，現(xiàn)工作于德國波恩馬克斯普朗克射電天文學(xué)研究所的Evan Keane和同事發(fā)現(xiàn)了類似的事件；英國曼徹斯特大學(xué)的Dan Thornton及其同事一次發(fā)現(xiàn)了6起這樣的事件?，F(xiàn)在，2001年的事件被認(rèn)為是奇特新來源的快速射電爆發(fā)（FRB），這也是天文學(xué)上最復(fù)雜的神秘現(xiàn)象之一。

　　無論這些信號是什么，隨著觀測到更多的FRB，科學(xué)家能夠收集到比之前研究更多的細(xì)節(jié)。分析表明FRB非常頻繁，天空中每10秒就會產(chǎn)生一次爆發(fā)。但人們?nèi)匀粺o法解釋。理論家認(rèn)為它們可能來源于正在蒸發(fā)的黑洞、中子星碰撞和大規(guī)模磁場爆發(fā)。但美國哈佛大學(xué)天文學(xué)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(yuǎn)鏡都在尋找這種神秘爆發(fā)。其中，加拿大氫強(qiáng)度映射實(shí)驗(yàn)（CHIME）似乎在一天內(nèi)發(fā)現(xiàn)了12次FRB，相關(guān)成果將于2017年底在線發(fā)表。

　　“該領(lǐng)域正在不斷被探索。”Bailes說。

　　好奇驅(qū)使

　　天文學(xué)家似乎對“洛里默爆發(fā)事件”更有信心。2010年剛完成天體物理學(xué)博士學(xué)位的Sarah Burke-Spolaor搜羅了帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡的舊數(shù)據(jù)，以尋找更多的爆發(fā)事件。結(jié)果她發(fā)現(xiàn)了16個(gè)信號。

　　這些信號大部分與“洛里默爆發(fā)事件”顯著類似。但它們也表現(xiàn)出了“分散性”，這意味著探測器出現(xiàn)高頻波浪數(shù)百毫秒后才出現(xiàn)低波浪。而這種分散效應(yīng)是Lorimer和Bailes發(fā)現(xiàn)的來自銀河系外的經(jīng)典爆發(fā)事件令人信服的最重要證據(jù)之一。

　　離子氣體云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(dá)地球的時(shí)間，并延長該信號。而在“洛里默爆發(fā)事件”里，這種延遲如此廣泛，以至這種波必須穿越大量物質(zhì)——比銀河系內(nèi)的物質(zhì)多得多。

　　不幸的是，Lorimer和Bailes的發(fā)現(xiàn)過于平淡，而Burke-Spolaor的信號則與原始信號存在一個(gè)重要不同點(diǎn)：它們似乎從四面八方涌進(jìn)來，而不僅僅是望遠(yuǎn)鏡指向的方向。科學(xué)家將其命名為佩利冬（perytons）——神話中的有翼生物，并發(fā)現(xiàn)這些爆發(fā)可能源于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(shí)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(xiàng)目。”他說。而Bailes團(tuán)隊(duì)則在繼續(xù)，并增加了帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡使用時(shí)間和頻率分析。2013年，他們發(fā)現(xiàn)類似“洛里默爆發(fā)事件”的4個(gè)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(gè)重要原因是所有的FRB均由一個(gè)團(tuán)隊(duì)使用同一架望遠(yuǎn)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，他的愿望成真。德國馬普學(xué)會射電天文學(xué)研究所天文學(xué)家Laura Spitler小組利用波多黎各阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一次爆發(fā)。“我欣喜若狂。”Bailes說。荷蘭射電天文學(xué)研究所天體物理學(xué)家Emily Petroff表示，這個(gè)發(fā)現(xiàn)讓大多數(shù)人相信FRB是真實(shí)存在的。但它們?nèi)陨钕菝造F。

　　2015年，Petroff團(tuán)隊(duì)表示已經(jīng)知道佩利冬可能來自地球，并將目標(biāo)鎖定為微波爐。研究人員發(fā)現(xiàn)，只有在天文臺廚房的那臺微波爐還在運(yùn)行時(shí)，強(qiáng)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(shí)，望遠(yuǎn)鏡的天線正好朝向這邊。“我們已經(jīng)解決了佩利冬之謎，并增加了我們對FRB是真實(shí)存在的信心。”Petroff說。

　　靈感爆發(fā)

　　但人們依然不知道FRB到底是什么。這個(gè)極短信號只有5毫秒，這暗示著來源必須是一個(gè)致密物體，直徑不超過100公里—— 一個(gè)恒星質(zhì)量黑洞或一顆中子星。

　　荷蘭奈梅亨拉德伯德大學(xué)Heino Falcke和德國波茨坦馬普學(xué)會重力物理學(xué)研究院Luciano Rezzolla認(rèn)為，當(dāng)一顆超新星爆發(fā)產(chǎn)生了一顆略微超重的緊密中子星時(shí)，就會發(fā)生FRB。

　　今年年初，Spitler團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱至少有一個(gè)FRB來源反復(fù)出現(xiàn)：阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡所得的數(shù)據(jù)揭示在兩個(gè)月時(shí)間里發(fā)生了一次爆發(fā)颶風(fēng)，一些僅相隔幾分鐘。這一現(xiàn)象已被綠色銀行望遠(yuǎn)鏡證實(shí)。直到那時(shí)，每個(gè)被觀察到的FRB都是單一性事件，暗示了源頭出現(xiàn)災(zāi)難性爆發(fā)或碰撞，并被破壞。

　　而重復(fù)出現(xiàn)的FRB則意味著其源頭幸免于難。因此，Petroff表示，“我猜它與中子星有關(guān)”——不需要自我毀滅就能發(fā)射脈沖。Spitler也表示同意。例如，她指向蟹狀星云：超新星爆發(fā)的產(chǎn)物。

　　1054年人們曾觀察到此次爆發(fā)，之后出現(xiàn)了被灼熱氣體包圍的迅速旋轉(zhuǎn)的脈沖星。Spitler表示，該星云偶爾釋放極其明亮的光和射電閃爍。如果它位于遙遠(yuǎn)的星系，并出現(xiàn)能量急劇提升，它將發(fā)射出類似FRB的東西。

　　Spitler指出，如果一個(gè)源頭重復(fù)出現(xiàn)，最簡單的解釋是其他望遠(yuǎn)鏡對FRB不夠敏感，或不夠幸運(yùn)，無法觀察到。也有人認(rèn)為只有部分FRB能重復(fù)。“如果我們發(fā)現(xiàn)2~3個(gè)FRB群，我一點(diǎn)也不驚訝。”Petroff說。

　　一段長路

　　另一個(gè)重要問題是，F(xiàn)RB距離地球有多遠(yuǎn)。被觀察到的20次爆發(fā)隨機(jī)分散于太空，其源頭似乎都位于銀河系之外。但美國哈佛大學(xué)物理學(xué)家Avi Loeb表示，如此長的距離意味著源頭能量輸出超乎想象。

　　“如果爆發(fā)能重復(fù)，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，F(xiàn)RB的源頭是銀河系內(nèi)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(rèn)為系內(nèi)存在如此稠密的星云應(yīng)當(dāng)在其他波段被發(fā)現(xiàn)。美國加州理工學(xué)院天體物理學(xué)家Shri Kulkarni梳理了數(shù)個(gè)望遠(yuǎn)鏡的銀河系源數(shù)據(jù)，結(jié)果一無所獲。Kulkarni之前認(rèn)為FRB來自銀河系內(nèi)，但現(xiàn)在他相信FRB是系外來客的證據(jù)是壓倒性的。不過，Kulkarni沒有排除FRB源頭位于星系內(nèi)的可能性，或許在10億光年外，而非數(shù)十億光年外。

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

       但首先天文學(xué)家需要找到更多的FRB，并確定其位置。“直到現(xiàn)在，我們都只是在黑暗中摸索。”Berger說。完成該目標(biāo)的方法之一是實(shí)時(shí)從射電望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)中提取FRB，以便其他天文臺的科學(xué)家能在多波段觀測到爆發(fā)。

　　2月，該策略似乎取得成功，一個(gè)獨(dú)立團(tuán)隊(duì)在帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡觀察到FRB信號兩小時(shí)內(nèi)進(jìn)行了追蹤，并暫時(shí)將其定位在一個(gè)60億光年外的星系中。雖然，進(jìn)一步觀測對這一結(jié)論提出質(zhì)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(gè)重大突破，或有助于探索宇宙中失落的物質(zhì)。不過，F(xiàn)RB也可能是沒有人想到的東西。“自然界遠(yuǎn)比我們想象的豐富。”他說。（張章）