什么是快速射电暴（FRB）？来自宇宙的神秘信号的发现

现代射电天文学最大的谜团就归结于这三个字母：FRB。它们代表快速射电暴，一种持续挑战解释的信号。顾名思义，这些射电波爆发仅持续一两毫秒。它们也非常强大，是天空中最亮的射电源之一。尽管如此，它们却能传播令人难以置信的距离，远达数十亿光年。算一下就知道这些东西有多么强大。一次FRB在瞬间释放的能量可能比太阳一天产生的能量还要多。

可见光只是电磁波谱的一部分，但如果你的眼睛能看到无线电波，你可能会一直在天空中发现FRB——每天成千上万个，来自四面八方。然而，尽管它们如此普遍，但在20年前，却没有人探测到过它们，甚至听说过它们。如今，FRB究竟是什么仍然不清楚。但是，得益于技术的进步和一些幸运的发现，天文学家们终于即将找到答案。

来自天堂的爆发

没有人期望能发现FRB。事实上，第一个是在2007年几乎偶然发现的。本科生David Narkevic当时在西弗吉尼亚大学跟随射电天文学家Duncan Lorimer工作，他正在查看旧数据，寻找死恒星的幽灵。

当足够大的恒星在剧烈的超新星爆发中死亡时，它们会留下“尸体”——由中子组成的内核，它们被称为（自然地）中子星。这些中子星可以发射辐射束并每秒自转数次，当这些光束扫过地球时，它们会表现为脉冲，就像远处闪烁的宇宙灯塔一样。正是这些“脉冲星”是Narkevic在寻找的。他正在仔细检查澳大利亚帕克斯天文台的观测数据，寻找来自围绕我们银河系运行的两颗卫星星系（称为麦哲伦星系）的脉冲。

但在一个寒冷的冬日，那份旧数据中一个奇怪的辐射爆发——绝对不是脉冲星——引起了Narkevic的注意，他告诉老板，他认为他发现了一个……某物。那是一个单一的明亮脉冲，但它似乎并非来自麦哲伦星系。相反，它的起源是银河系之外的深空区域。“我惊呆了，”Lorimer回忆道，“不知道该如何解释。”他知道这与他之前见过的任何东西都不同，并在当年晚些时候发表了这一发现，最终将这一事件命名为FRB。

起初，其他人也不知道该如何解释。许多天文学家对此表示怀疑，猜测这些信号是由闪电或甚至是微波炉等平凡的来源产生的。“就连我自己的妻子（射电天文学家Maura McLaughlin）也争辩说这个爆发不是真实的！”Lorimer回忆道。

寻找FRB并不容易：信号非常短暂，天空非常广阔，而且许多射电望远镜（如帕克斯）一次只能观测一小部分天空。天文学家也发现了许多假阳性，这并没有帮助。但最终，来自全球射电望远镜的经过验证的FRB信号开始堆积起来，打消了大多数怀疑论者的疑虑。迄今为止，研究人员已探测到52个。

天文学家们终于确信，他们确实拥有了一类全新的射电信号。但他们几乎对它们一无所知。

杂乱的无线电波

天文学家们为数不多知道的关于FRB的事情是它们的遥远起源，每一个都来自深空。他们是怎么知道的？信息实际上隐藏在信号本身之中。

大多数自然产生的射电信号是宽带的，这意味着它们跨越一定的频率范围，不像你本地FM广播电台的信号那样只有一个特定的频率。（我们在地球上使用窄带信号来最大化我们共享的可用频谱，但自然界并不那么体贴。）

仔细观察任何给定的天文射电信号，你会发现它的低频部分比它的高频部分稍微晚一点到达。这是因为虽然太空比地球上的任何真空都好，但它并非完美的真空，仍然会零星地存在一些粒子。这些零散的物质会与射电信号相互作用，减慢低频、较弱的部分，而能量更强的高频部分相互作用较少，可以快速通过。信号传播的距离越远，低频部分的延迟通常就越大。天文学家称信号的这种特性为色散测量（DM）。

如果这些脉冲中的一个始发于我们自己的星系，我们可能会得到大约30的DM。麦哲伦星系则在200以上。探测到的最古老的FRB，是在Lorimer发现之前存档数据中发现的，DM值为790，这意味着它来自数十亿光年之外。

这个距离告诉天文学家关于FRB来源的很多信息：要从如此遥远的地方看到如此短暂、如此明亮的信号，需要一个能量极高的来源。问题是，即使到现在，也没有人知道这样的事件可能是什么。“没有一个模型是没有重大问题的，”麦吉尔大学的射电天文学家Victoria Kaspi说。

重复者在召唤

第一个重大的FRB突破来自于发现一个特殊的FRB，称为FRB 121102。（FRB以发现日期命名，该日期为2012年11月2日）。它之所以与众不同，是因为所有其他已知的FRB——它们只爆发一次，之后再也看不到了，尽管进行了广泛的后续观测——而FRB 121102会**重复**。有时，“重复者”（它因此得名）会安静数周或数月，然后有时一天会爆发数次。没有规律可循。

但是，这些重复的、不规律的信号使耐心而勤奋的天文学家们能够比其他任何FRB了解更多信息。了解在天空中大致的重复发生地点，使他们能够比对一次性FRB更精确地确定其坐标。正是这种精度水平，最终使天文学家能够使用夏威夷的Gemini天文台和哈勃空间望远镜等巨型光学望远镜进行后续观测，并看到信号的来源。

这些观测表明，这个重复者的家园是一个位于30亿光年外的不起眼的矮星系。它的大小与大麦哲伦星系相当，只有银河系大小的十分之一。这一点本身就很令人惊讶：天文学家原本预计像FRB这样的信号会来自一个庞大、活跃的星系，拥有明亮的超大质量黑洞或活跃的恒星形成，而不是这个宇宙中的小不点。

2018年，研究人员进行了更深入的研究。通过仔细分析重复者无线电波的巨大扭曲（称为信号的偏振），他们了解到其所处的环境很不寻常。“我认为一个中子星参与了产生爆发，并且处于一个极端环境中，”该研究的首席作者、麦吉尔大学的Daniele Michilli说。

这些信号可能源自一种特定类型的中子星，称为磁星，它具有异常强大的磁场。它们的磁场如此强大，可以从数千英里外杀死你，通过压缩你原子中的电子云。磁星的强大信号，被极端环境（如超大质量黑洞附近区域）扭曲，可能解释了FRB的强大偏振。或者，它也可能是其他完全不同的东西——这个重复者仍然是独一无二的，所以很难得出任何广泛的结论。

数据的洪流

“找到更多FRB是目前最紧迫的目标，”阿姆斯特丹大学射电天文学家Emily Petroff说。“我们对它们的来源了解太少。”

Petroff发现了最早的一些FRB，那时人们还不确定它们是否真实存在，她通过构建第一个全面的信号目录帮助该领域获得了合法性。她认为，要解开FRB起源之谜，天文学家首先必须找到数百个例子，然后在庞大的群体中寻找模式和特别之处。

“目前，每一个FRB都像一个独特的雪花，我们欣赏它个别的细节，”Petroff说。“我们接下来需要的是一个雪堆。”

第一场雪已经落下，加拿大的一个射电望远镜正在成为一个FRB狩猎机器。加拿大氢强度测绘实验（CHIME）正如其名，其主要目标是绘制星系中的氢云图。但是，由于该射电望远镜同时观测天空的很大一部分，FRB也应该在测绘过程中出现。

此外，固定的CHIME会每天在天空的同一片区域上空经过，使其成为探测重复FRB的理想设备。如果一个FRB出现在CHIME的视野范围内，该实验就可以每天自动对其进行监测，寻找新的爆发。去年7月，科学团队发现了它的第一个FRB，并预计会发现更多的重复FRB——如果它们存在的话。

闪光

数据不断增长的雪堆已经带来了一些惊喜。FRB故事的最新转折来自澳大利亚平方公里阵列巡天望远镜（ASKAP）的一项项目，该项目于10月宣布发现了20个明亮的FRB，几乎是当时已知总数的一倍。

“我们非常仔细地选择了天空中的50个[位置]，并对其进行了数百小时的观测，看看是否能找到另一个重复者，”参与该调查的科学家之一Keith Bannister说。这20个FRB都没有重复——但这并不是最重要的事情。

当ASKAP团队将其FRB与帕克斯天文台的其他FRB进行比较时，他们发现了一个有趣的联系。ASKAP的FRB都更明亮，但DM值更低，这意味着它们都更近。这很合理：在一个雾蒙蒙的夜晚，一个近处的闪光灯看起来更亮。你甚至可以通过研究其相对亮度来测量它的距离。ASKAP的数据显示，FRB遵循相同的模式。

但想象一下，如果你看到一个距离已知精确的手电筒，但它看起来比预期的要暗得多。如果其他一切都没有改变，你会想知道你是否在看第二个、不同的手电筒。那个重复者，FRB 121102，就是那个第二个手电筒：虽然所有非重复性FRB似乎都遵循ASKAP确定的DM和亮度的相同模式，但这个重复者在其DM下显得比预期暗得多。

这让许多天文学家百思不得其解。不同的现象是否会产生一次性爆发和重复性爆发的FRB？

“所有的FRB是否都相同，这确实是一个悬而未决的问题，”Bannister说。“作为一名科学家，我尽量不带偏见；我喜欢去测量。但是……我的直觉是，我们将发现两种（FRB）版本。”天文学家将一项发现变成两项可不是第一次了。

一分为二

天文学家最终可能会发现FRB有不同的种类，由不同的现象引起不同类型的爆发——这在天文学中是有先例的。

1973年，美国军方解密了伽玛射线暴（GRB）的存在，它最早是在20世纪60年代被设计用于探测核武器试验伽玛辐射的军用卫星首次探测到的。到1994年，至少发布了118种GRB的模型，每项新发现都会排除少数几种。

事实证明，GRB实际上分为两大类（外加一些较少见的）：大约90%的探测是所谓的“长GRB”，它发生在超大质量恒星坍缩成超新星时。其余大部分是“短GRB”，其起源涉及两个中子星的合并，直到2017年才得到证实。

同样，超新星本身也发现有多种起源。最常见的超新星发生在超大质量恒星耗尽燃料并在一次巨大的爆炸中死亡时，留下中子星或黑洞。然而，一小部分超新星发生在当一颗白矮星——一颗普通大小恒星死亡后留下的发光余烬——重新点燃并被撕裂时。天文学家认为这发生在白矮星获得质量时，要么是从伴星那里吸取，要么与其他白矮星合并，或者两者都有。导致这些类型超新星的具体情况仍然是个谜——至少目前是这样。

神秘的信使

对于关于FRB的每一个答案，数据都为我们提供了几个新的问题。它们都会重复吗？重复有任何规律吗？它们都是同一种现象吗？“在最近FRB爆发潮之前，Lorimer会开玩笑说：‘理论比爆发多，而且没人能确定。’”

Kaspi更进一步。“我对此感到非常困惑，”她说，“我认为有很多可能性，包括我们现在还无法想象的事物。”也许年轻的中子星比任何人预期的都要能量更高，或者FRB涉及我们不理解的物理学，或者这些爆发需要极其罕见的条件，以至于我们星系周围的任何事物都无法触发它们。当然，非凡的主张需要非凡的证据，但FRB无疑符合这一描述。

更好的是，无论FRB信号是由什么引起的，它们可能有助于揭示宇宙的奥秘，这要归功于它们传播的巨大距离。新的研究表明，通过研究爆发引起的色散测量，这些爆发可能成为一种了解星系之间相对未被研究的稀疏物质的新方法。研究人员甚至可能探测到那里磁场的存在，而我们对这种现象目前知之甚少。

尽管仍有许多悬而未决的问题，但至少有一点是明确的：天文学的FRB时代已经来临。

Yvette Cendes是多伦多大学邓拉普天体物理研究所的射电天文学家。请访问她的网站www.whereisyvette.com。本文最初以“WTH are FRBs?”的标题印刷出版。