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2017-9-9

快速射电暴——低频宇宙的明亮闪光

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 8:56 pm

天文学中的瞬变现象似乎总能吸引更多人的注意力。近如身边的太阳活动,远如宇宙边缘的伽玛射线暴,长期以来都是研究者的关注焦点。近年来,一类全新的爆发——2007年秋季才公布于世的快速射电暴(Fast Radio Burst,简称FRB)又摇身化作新兴热门话题。这类发现不过10年的新式爆发以持续时间短、色散高、脉冲明亮且爆发率惊人而著称,不仅身后很可能与致密天体的奇特过程相关,更有潜力来充任探测遥远宇宙的媒介。但现在有关它的起源、产生机制,还有多波段对应体的情况,却都还属于众说纷纭的未知数。

发现简史

快速射电暴的研究历史要一路追溯到50年前。自1967年英国剑桥大学的安东尼·休伊什(Anthony Hewish)与S·乔斯林·贝尔(S. Jocelyn Bell)等人率先探测到具有周期式脉动的射电源——脉冲星之日起,对各式射电瞬变现象的搜索就在世界各大天文台如火如荼地开展了起来。除了证认新的脉冲星外,不具备重复性的单脉冲也是重点查找目标。无论是20世纪70年代中期美国马萨诸塞大学的天文学家为寻找与黑洞蒸发以及超新星相关的信号而进行的分析,还是1979年波多黎各的阿雷西博(Arecibo)望远镜在室女座巨椭圆星系M87的方向接收到的神秘射电闪光,又或者是90年代末经由单脉冲探测而被寻获的新脉冲星PSR J1918+08,这些似乎都是如今以快速射电暴为代表的新型射电现象浮出水面的前奏。到了2003年,一项针对单脉冲搜索方法的研究更是明确指出,在未来的数十年内,对新型射电瞬变现象的认知必然会大为增进。

在短短三四年间,这句话就变成了现实。先是在2006年2月,当初单脉冲搜索工作的合作者之一、当年还在英国焦德雷班克(Jodrell Bank)天文台工作的毛拉·麦克劳克林(Maura McLaughlin)自证预言,率领所在团队宣布发现了源自河内中子星爆发的自转型暂现射电源(RRAT)。随后在的2007年11月,麦克劳克林的丈夫、此时刚从焦德雷班克来到美国西弗吉尼亚大学担任助理教授之职的邓肯·洛里默(Duncan Lorimer)又同合作者联手发现了在现象上与RRAT多少有些类似的快速射电暴,也就是本文的主角。

澳大利亚帕克斯天文台的64米射电望远镜外景,这里不仅是快速射电暴观测的发源地,更是脉冲星的研究中心,以理查德·N·曼彻斯特(Richard N. Manchester)为首的射电天文学家在这里发现了半数以上的已知脉冲星。

洛里默公布的第一个快速射电暴现在经常以发现者的姓氏称之为洛里默暴,有时也根据事件的发生日期被称为FRB 010724。如其名所示,这次爆发实际上发生在洛里默的结果发表之前6年有余,当时座落在澳大利亚新南威尔士州的64米帕克斯(Parkes)射电望远镜正在小麦哲伦云方向上执行脉冲星巡天。但这起射电暴由于持续时间过于短暂且未探测到复发,在此后很多年间,它只是埋藏在观测数据中不为人知。要是使用自动化软件进行数据处理的话,这个脉冲还很可能被视作射电干扰而直接删除。直到2006年,洛里默指导的本科生戴维·纳尔克维奇(David Narkevic)重新审视了帕克斯的存档数据,方才偶遇这个明亮的单脉冲。

FRB 010724的光变曲线(右上)与展示色散的扫频图(背景)。图片来源:Lorimer et al. (2007)

洛里默暴在1.4 GHz附近的单个频率上持续的时间只有5毫秒不到,呈简单的单峰结构,其峰值流量达到了数十央斯基(射电流量密度单位,1央斯基合每平方米每赫兹10-26瓦特),在射电天文学里算是相当明亮了,足以让帕克斯的接收机饱和。更重要的是,该暴的脉冲具有明显的色散特性,也就是说低频信号晚于高频到达,且时间延迟量同观测频率的平方成反比。这是射电波在星际低温等离子体介质传播期间出现的典型特征。考虑小麦云中脉冲星的典型色散只有几十到200秒差距每立方厘米,而洛里默暴的色散量却高达375秒差距每立方厘米以上,这次爆发很可能只是恰好出现在了小麦云的方向上,实际却源自更远处的深空。结合以上这种种特点,洛里默很快就意识到,考虑脉冲的特性与任何已知过程都不尽相符,哪怕河外自转型暂现射电源也难以产生如此明亮的爆发,所以它理应是一类全新天文现象的原型。

FRB 010724的发生位置与小麦哲伦云中若干已知脉冲星的比较,图中标出了各个脉冲星的名称(格式为JXXXX-YYYY,表示脉冲星的赤经和赤纬坐标)以及色散量(各脉冲星名称下方括号中的数据)。左下方的13个圆圈则代表帕克斯望远镜13波束接收机在探测此次爆发期间的位置,其中标有方框的一个对应的信号最强,标有较小圆圈的两个也接收到了相应的信号。图片来源:Lorimer et al. (2007)

洛里默暴最初的发现并未带来太大的轰动。这是因为在此后的若干年内,类似的事例仅此一桩。更且澳大利亚斯温伯恩(Swinburne)科技大学的萨拉·伯克-斯波劳尔(Sarah Burke-Spolaor)在2011年又辨认出了一类形态上与洛里默暴类似,但很可能起源于地球大气之内的鹿鸟暴(Peryton),使得众多天文学家开始怀疑洛里默这个发现的可靠性,就连洛里默本人为此都没敢投入过多的精力对FRB 010724进行深入研究。最终,随着2012年之后众多新样本陆续得到了公开,快速射电暴才被正式命名,并一跃成为天文界新宠;而随后鹿鸟暴也被判定源自帕克斯天文台餐厅的微波炉干扰,与快速射电暴是毫无关联的两回事。

探查源头

截至2017年6月初,已经公开的快速射电暴一共有23个,除了FRB 121102反复发作逾百次之外,其他看上去都是一次性事件。这其中单是帕克斯望远镜就发现了17个,305米的阿雷西博望远镜以及美国西弗吉尼亚州的110米绿堤望远镜则各发现了1个,澳大利亚升级后的莫隆格勒综合孔径望远镜(UTMOST)以及平方公里阵列探路者(ASKAP)在前不久又各自公布了3个和1个发现。此外还有个位数的爆发仍在分析中,有待进一步的确认和公开。

双峰式快速射电暴FRB 121002(上)与普通单峰式快速射电暴(下,以FRB 090625为例)的光变曲线比较。图片来源:Champion et al. (2016)

与最初的洛里默暴一样,所有这些已知的快速射电暴都拥有毫秒级的光变,持续时间从短于1毫秒到20多毫秒不等。绝大多数暴的光变行为也只表现出了一个脉冲,只有双峰式的FRB 121002以及FRB 121102的部分复发是例外。这些暴的色散介于数百到上千秒差距每立方厘米之间,扣除前景银河系的已知影响,并假定暴发宿主星系贡献不大,得出的距离也基本达到了宇宙学级别。历次爆发的探测频率低至700到900 MHz,高至2.5到3.5 GHz,一般以1.4 GHz居多,这说明FRB在较宽的频段内均有辐射。

在地面拍摄的月球(左)以及凭借阿雷西博望远镜的分辨率看到的月球(右)的对比,右图中的红色圆圈表示阿雷西博7波束接收机的单个波束宽度。

快速射电暴究竟起源于何处?如果巨大的色散量确系星系际传播所致,它们的宿主河外星系又是什么样的?要回答这些问题,关键在于爆发的定位。快速射电暴的定位之所以成为难点,一来是因为所有这些爆发大都是由分辨率很差的单天线射电望远镜探测到的,比如帕克斯望远镜的波束半高全宽足有14角分,差不多是满月的一半,就连阿雷西博的解析能力也只有3角分多一点,比肉眼还远远不如;哪怕身为干涉仪的UTMOST望远镜与ASKAP阵列,受限于其规模和结构,单次探测所能达到的精度也不过是角分级甚至更差。而在如此宽阔的波束内,可能存在着数百上千乃至以万计数的星系。二来已知射电暴样本不算太大,虽然它们遍及高中低银纬天区,但目前还不好确定这样的分布是否真的是各向同性,也暂时看不出同已知星系团等大尺度结构存在任何显著的关联。更且相当一部分快速射电暴都是在暴后很久才从存档数据中挖掘而出的,哪怕它们具备相伴的多波段余辉等活动,发生期间可以经由及时的后续观测发现并定位,这样的机会也往往会被错过。

已知快速射电暴在银道坐标系中的分布。图中蓝色圆点、紫色五角星、绿色方块、红色三角形与橙色菱形分别表示帕克斯、UTMOST、绿堤望远镜、阿雷西博望远镜以及ASKAP阵列的探测。

为了解决这个问题,澳大利亚的天文学家率先成立了快速射电暴响应网络。从2013年起,帕克斯望远镜采集的所有数据都要被即时传输到斯温伯恩大学的超级计算机上。在一起FRB发生后的最快30秒内,计算机就可以完成爆发辨认和初步处理,并通报其他台站转向开展后续观测。虽说在第一个得到实时探测的爆发——FRB 140514过后的几小时到74天内,任何事情都没有发生,但此后差不多1年,澳大利亚望远镜致密阵(ATCA)在帕克斯的又一次实时暴FRB 150418发生2小时后却瞥见了些许端倪——两个高频致密变源,其中一个先前并无记录的新源距离帕克斯的探测中心不到2角分。

FRB 150418的疑似宿主星系放大图,左图中的圆圈为探测该暴时帕克斯望远镜各个波束的相应位置。图片来源:Keane et al. (2016)

像ATCA这样的射电干涉阵列,分辨率主要受天线间的最大间距而非单天线口径的限制,因此定位精度大大提升,比如这个新源就得到了角秒级定位。在爆发过后数日间,新源的亮度一路衰减,最终显露出了椭圆星系的特性。因此一开始研究者认为,它就是FRB 150418的余辉兼宿主星系;对该源的光学观测更进一步给出了星系不到0.5的红移,这只比根据色散得出的推测值略小。但这个源在宁静状态下的光度相对产星贫乏的椭圆星系来说未免过高,又恰好位于星系正中,多少显得有些古怪。随后的跟踪观测表明,将该源视作星系中央活跃的特大质量黑洞最为合理,换句话说,这更可能是一个先前被忽视的活动星系核。ATCA的定位结果当然也随之变得不可靠。

为了辨认快速射电暴的来源,另一些天文学家换了一种思路,转而求助于高能观测,在卫星数据档案中寻找与已知射电暴对应的暂现源。早在2012年,就有人声称找到了疑似与FRB成协的伽玛射线暴(GRB);去年又有美国宾夕法尼亚州立大学的学者宣布发现了与FRB 131104成协的弱伽玛源Swift J0644.5−5111。但前者的可靠性值得怀疑,后者被又一次归结为星系核的活动。到目前为止,还没有人确切发现过FRB在其他波段的对应体,并由此为之可靠定位。

FRB 131104的伽玛射线疑似对应体(上)及其放大图(下),图中圆圈表示帕克斯望远镜的波束宽度。图片提供:J. J. DeLaunay, Penn State University

2017年新年伊始,美国康奈尔大学的沙米·沙特基(Shami Chaterjee)等人宣布实现了对FRB 121102的精确定位,其方法又与前二者不同。FRB 121102是迄今确知唯一一个能够重复发作的快速射电暴,也是为数不多的由帕克斯之外的仪器发现的FRB之一,同时这还是一个低银纬暴,几乎就发生在银道面之上。在2015年5月17日和6月2日,它分别表现出了脉冲和流量行为各异,但色散相近的2起和8起额外爆发,且彼此间隔并不像RRAT那般指向共同的自转周期。鉴于这些特点,沙特基与合作者选择使用美国新墨西哥州的卡尔·央斯基甚大阵(JVLA)针对该暴开展后续干涉观测,并在2016年8月底到9月中旬期间又探测到了FRB 121102的9次发作,将其定位精度改善到了0.1角秒。随后北美和欧洲的其他天文学家又调用欧洲甚长基线干涉网(EVN)与阿雷西博望远镜进行了精度更高的联测,并凭借该暴在2016年9月20日的新一波复发,让定位水平进一步提升到了毫角秒量级。

艺术家笔下精确测定快速射电暴方位的甚大天线阵。图片提供:Danielle Futselaar

先前FRB 150418的射电后续观测也好,FRB 131104的伽玛射线对应体也好,争议重重的主要原因都在于射电暴本身的定位精度有限,这样就难以保证其他高分辨率仪器所见的变源与FRB出自同门。可是这次JVLA以及EVN以很高的精度探测到了FRB 121102本身(而非疑似的余辉),宿主星系的位置也就没有太多疑问了。最终通过光学观测,人们在这个FRB的发生点辨认出了一个红移0.193的矮星系,射电暴应该位于其外围的一个产星区中。该星系的恒星质量只有太阳的几千万倍(作为比较,银河系的质量是太阳的上千亿倍),但每年0.23太阳质量的产星速率却并不比银河系低太多,所以可以被视为产星星系。除非运气实在不赶巧(或者应该说是太赶巧),让这个矮星系同FRB 121102在地球观测者看来恰好位于同一方向,否则它就应该是射电暴的宿主星系了。有意思的是,该星系同地球的距离虽然称得上是宇宙学级别,但也要比根据色散估计的数值近了不少,这说明星系内部的介质对射电暴脉冲信号的影响也不大能被忽略。

FRB 121102宿主星系的可见光图像。图片提供:Gemini Observatory/AURA/NSF/NRC

但现在我们只是大体敲定了FRB 121102的宿主星系,距离完全揭秘快速射电暴的起源还差得远,更多的后续研究还在进行中。去年晚些时候,钱德拉X射线天文台、XMM-牛顿望远镜与费米伽玛射线空间天文台同射电望远镜开展的协同监测表明,这个暴在复发期间并无高能光子相伴。沙特基的团队计划近期使用哈勃空间望远镜进一步对FRB 121102所在的天区作深入观测,以图寻找更多的新知。UTMOST干涉仪还在针对自家新发现的数次爆发积极开展长期监测,希望能够凭借可能的复发来提升定位精度。更多的天文台也纷纷表示将开展类似的工作。可以预期,在不久的将来,快速射电暴的观测领域理应迎来更多的大戏,最终揭秘此等谜样爆发的真实源头。

理论纷杂

快速射电暴来源既定,它们的成因又是怎样的?现在轮到理论家来充分发挥想象力了。要想认识这类现象的产生机制,不能忽略的线索当然包括短暂的持续时间、显著的色散、特征不同于黑体的非热辐射,还有就是明亮的光度。持续时间短意味着爆发源区相当狭窄,不会大于光线在数毫秒内传播的距离,这里可能的选项一是与致密星有关,二是来自恒星级天体的局部过程。高色散的形成需要远距离和/或高密度的星际以及星系际介质。高光度的非热辐射则说明这应该是一类较为激烈的过程,涉及较强的磁场和带电粒子的加速。除此之外,还有爆发的发生率:已知FRB数量固然不多,但射电望远镜的视场宽度同样受限。只有在恰当的时间将望远镜对准恰当的方位,才能记录下这种昙花一现的脉冲。将已知信息结合起来,估测出的快速射电暴发生率相当惊人,每天要达到几千乃至上万次;折合到每个星系,则是千年一遇,比银河系中每百年爆发一次的超新星略为罕见一些,但又比百万年未得一见的伽玛射线暴常见得多。

理论家为此提出的解释大体可以分为河内河外两类,又以河外占优。河外起源说又可以细分为宇宙学距离以及近域宇宙相关事件两个子类,它们多半要涉及致密星尤其是中子星相关的过程,如磁星巨耀发(强磁场中子星的表面壳层在磁场作用下的破裂和重组)、河外明亮脉冲星的巨脉冲(某些脉冲星偶发的强烈脉冲,涉及星体磁层明显的能量损失)、中子星周边行星系统或小天体的运动,或是双中子星并合、双白矮星并合、超重中子星坍缩为黑洞等致密星的灾变性事件。又鉴于致密星并合机制与伽玛射线暴存在相似之处,一度有假说认为伽玛暴与FRB可能成协,所以也就有了前面提到的找寻FRB与GRB配对的尝试。此外,黑洞湮灭、白洞释放能量、轴子(一种假想粒子,是暗物质的候选体之一)在强磁场下转化为辐射、宇宙弦(时空大尺度缺陷)尖端放电,以及外星文明活动等奇异模型也得到了或严肃或猎奇式的探讨。只是要想确认奇特的模型,我们需要非凡的证据。这最后几种奇论,个人以为不过是面对未解新现象而普遍援引的常用救兵,不必太放在心上。

在银河系之内,主序星的耀发以及地球大气内的某些过程也被详细考察过。由于耀星活动频繁且星冕浓密,不仅可以贡献短暂的脉冲,还具有增大色散的条件。但FRB并不像恒星那般相对银盘集中,就算是位于银道面附近且反复发作的FRB 121102,其历次爆发期间色散也彼此一致,不似耀星的不均匀星冕所导致的那样,色散会表现出较大变化,所以现在看来这个说法已经是不大可能成立了。而大气起源说本来就是试图统一鹿鸟暴与快速射电暴的产物,既然现在鹿鸟暴与FRB存在本质区别已无异议,这一观点也几乎不再被人提及。

可是怎样才能区分种种河外起源模型?姑且抛开黑洞白洞、外星文明这些怪谈不论,单说可能性更大的致密星理论,这首先就要表明对FRB 121102复发的看法。虽然帕克斯望远镜对它所发现的每个快速射电暴所在的天区都会进行长时间的重复观测,但迄今尚未遭遇同样的复发暴,只有FRB 110220和FRB 140514因为出现方位过于接近而受到了怀疑,但这两个暴的色散量又差异明显,与FRB 12110不尽相同。关于复发问题存在两种可能性,要么快速射电暴实际分为可复发与不可复发的两类,源于不同的过程;要么是在观测期间受到了仪器的选择效应影响。毕竟口径305米的阿雷西博望远镜拥有远胜于帕克斯的灵敏度,前者看到的FRB 12110历次复发光度差异甚大,其中只有一小部分达到了足以被后者捕捉到的程度。这样看来,帕克斯望远镜很可能会漏掉相当一部分复发,如若观测时间不凑巧,只能捕获其中的一次发作也是很有可能的。但身居北半球的阿雷西博属于固定式望远镜,可观测天区受限,对于帕克斯记录下的诸多南天暴是无能为力的,这种猜测正确与否,一时还难以验证。

假设复发是快速射电暴的普遍现象,那么双致密星并合或是超重中子星坍缩这类一次性的灾变过程大抵可以被排除了。而FRB 121102的宿主星系作为矮星系的身份连带爆发发生在星系产星区中的观测事实也会进一步限制理论。这样的年轻星系固然在整体上缺乏中子星族群,但产星区中并不排除存在新生脉冲星的可能性。根据我们对银河系内脉冲星的认识,年轻星体的确不甚稳定,不时会有巨脉冲等间歇性发作,但其强度与FRB 121102相比要低得多,更且这样的脉冲星还应该伴有X射线或伽玛射线信号,这与针对该暴的高能监测不符。其他值得认真考虑的有趣新模型还包括带有喷流的黑洞系统,或是年轻超新星遗迹以及脉冲星风云相关过程之类,不一而足。当然,倘或FRB的确存在双重起源,事情又要另当别论。

蟹状星云与中心蟹云脉冲星的多波段合成图。蟹云脉冲星是已知具备巨耀发现象的一颗脉冲星。图片提供:J. Hester (ASU) et al., CXC, HST, NASA

正如50年前伽玛射线暴发现之初,理论模型多过了已知爆发的数量一样,同样的历史正在快速射电暴的领域重演。近来FRB精确定位的实现不仅没能缓和争端,反而带来了更多的疑云。这既是缘于已知FRB样本的匮乏,更是出于现今相关研究的不完善——这些林林总总的理论都还属于新生事物,尚未经过时间的锤炼与淘洗,难以有效指导观测。

展望未来

眼下,快速射电暴的观测正在热火朝天地开展着。现在阿雷西博望远镜以及绿堤望远镜都针对FRB开发了类似帕克斯的实时响应流程;对存档数据的深入挖掘也在有条不紊地进行;中国在去年刚刚落成的500口径球面射电望远镜(FAST)也将在完成调试后从事快速射电暴的搜索。又考虑众多理论模型都要涉及致密星过程,一系列高能与引力波监测仪器也加入到了快速射电暴的后续响应网络中来;今年夏秋季,平方千米阵(SKA)的南非原型阵列MeerKAT更是即将迎接同指向同视场的光学望远镜MeerLICHT,以图更有效地寻找快速射电暴的对应体。不过单天线望远镜的探测率终归有限,比如哪怕凭借FAST的口径和灵敏度,每1000小时的观测预计也只能发现个位数的FRB而已。

与传统射电天线相比,大量积累快速射电暴样本的更大希望来自加拿大氢线强度测绘实验(CHIME)、中国的天籁阵列以至未来的平方千米阵这些新型大视场望远镜阵。全面启用后,它们有能力每天发现数十个快速射电暴(如果对爆发率的估计可靠的话),让已知的事例数在短时间内大大扩增。相信凭借越来越多的事例积累,FRB的分类与能否复发之谜终将得到澄清。

旨在通过测量早期宇宙中的星系21厘米氢线辐射来为暗能量定性的CHIME阵列,也兼作快速射电暴的搜索。图片提供:CHIME

当探测到了足够多的事件,并得到足够精度的定位后,快速射电暴可以发挥宇宙探针的作用,凭借其色散特征揭秘宇宙不同区域、不同距离上等离子体的分布;而脉冲轮廓中的闪烁和展宽也表征了射电波在传播过程中遭遇的星际或星系际介质的湍动特性;来自遥远高红移宇宙的爆发还有望成为探索暗物质和暗能量的得力新工具。但这一切的前提是,我们要拥有数以千计的快速射电暴数据听候调遣。因此现在我们唯有等待,等待新一代仪器的落成与更多的事例出现,这才是破解理论难题,并发掘快速射电暴其他应用的正途,也是让10年前备受置疑的洛里默暴全面开花结果,最终孕育出天文学全新研究领域的不二法门。

 

注:本文为约稿,已发表于《Newton-科学世界》杂志2017年8月号,刊登版有删节,请勿转载。

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