快速射电暴：外星人的微波炉？一次性还是重复使用？-搜狐科技

发布时间：2016-03-18 11:00:13

原标题：快速射电暴：外星人的微波炉？一次性还是重复使用？-搜狐科技

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原创文章首发于唧唧堂，作者：唧唧堂研究人 王善钦

　　神秘而短暂的射电信号曾经引起人们的困惑。经过艰苦分析，Petroff 等人于2015年4月公布的论文中确定其中有一部分来自天文台的微波炉（！），而另一部分则的确来自太空。“微波炉门”被爆出后，许多人都以为所有此类射电信号都来自微波炉。这当然是对新闻的误读。就如水稻中混杂了稗子，拔掉稗子的同时，不能连着水稻也拔掉。

　　

　　那些真正来自太空的快速变化的射电信号被称为“快速射电暴”。最近关于快速射电暴的两个重要发现，引发了天文学界与媒体的密切关注。

引言：快速射电暴与微波炉

　　上个月被引力波刷屏，这个月被快速射电暴刷屏。总之一句话：天文学家们真会玩，这么牛你咋不上天呢？

　　

　　其实这句话戳中了一些天文学家的痛处，因为他们的确一直想上天可是苦于钱不够多、飞不够远。正如翻墙有肉身翻墙与网络翻墙，天文学家上天的方式有肉身上天与信号上天，前者是宇航员到月球以及火星（以后），后者是向太空发射信号，主要是射电电磁波信号。我们知道电磁波可以根据其能量高低分为：伽玛射线、X射线、紫外、可见光、红外、射电（无线电）。这些电磁波中，除了可见光与射电信号外，其他所有信号都会被大气吸收，所以只能发射可见光与射电信号。反过来，人类在地面上接收宇宙中来的电磁波时，也只能接收到可见光（与少量近红外光）与射电信号。要想接收其他波段的电磁波，还真的只能上天（发射卫星或大型空间天文台）。

　　终于扯到标题中的“射电”二字了！那么微波炉呢？微波炉呢！别着急。微波是射电波频率最高的那一部分，也就是射电波中的战斗波。当年著名的“宇宙微波背景辐射”（CMB）就是用射电望远镜观测到的。人类使用微波加热食品的装置就是微波炉。

　　之所以绕到微波炉，是因为此前有些射电信号，其实是使用澳大利亚的Parkes射电望远镜的一些人在工作日白天使用微波炉期间开了微波炉的门，导致磁控管产生的微波信号泄露出来，被射电望远镜探测到，一度使人将其与来自宇宙中的快速射电暴混淆在一起。

　　这些由地球人的微波炉制造信号被命名为“perytons”，这是神话中的一种怪兽的名称。这个乌龙直到2015年4月才被澳大利亚墨尔本斯威本科技大学的Petroff等人在arxiv上公布的论文揭穿，该文章于2015年8月发表于英国《皇家天文学会会刊》（MNRAS）。这个悲惨的故事再次告诉我们：微波炉运行时不要开炉门！

　　这个低级错误一度让天文学家颜面扫地。人们纷纷嘲笑一些天文学家居然用微波炉制造出的信号骗了那么多经费，水了那么多论文。

　　然而，并非所有快速射电信号都是微波炉磁控管发射出来的，至少不是所有事件都来自人类的微波炉磁控管的辐射，你如果非要认为所有事件都是来自微波炉，那么也只能说：有一部分来自外星人的微波炉。

言归正传：什么是快速射电暴

　　除去那些一度让很多天文学家凌乱的地球微波炉射电信号之外，人类探测到的真正的快速射电暴都来自地球以外。它们是来自太空的射电信号，打在射电望远镜的反射镜面之后，被汇集到探测器（馈源），持续时间一般仅为几毫秒。如同风暴一样。所以称为“射电暴”。

　　快速射电暴英文为Fast Radio Bursts，缩写为“FRB”，编号以年月日数字编号，例如2015年4月18日发现的射电暴，记为“FRB 150418”。如果一天发现好几个，那也好办，在后面加上A、B、C、D（至今未出现一天发现好几个的情况，所以这个记号方式还没有派上用场，但伽玛射线暴就是这么处理的）。

　　射电暴在2001年7月24日被首度发现，持续时间4.6毫秒，2007年首次在美国的Science（《科学》）杂志公布，作者为Lorimer、Bailes、McLaughlin、Narkevic与Crawford。其中，第一作者Lorimer的工作单位有两个，分别是西弗吉尼亚大学（West Virginia University）与位于美国西弗吉尼亚州绿岸（Green Bank）镇附近的国家射电天文台（National Radio Astronomy Observatory），这地方距离华盛顿350公里，位于阿巴拉契亚山脉脚下。

　　绿岸射电望远镜（Green Bank Telescope）（如下图）是当今世界上最大的可动单镜面望远镜。科幻小说《三体》中虚构的“红岸”其实就源自真实存在的“绿岸”。为避免信号干扰，美国联邦通信委员会（FederalCommunications Commission，FCC）于1958年规定，附近34000 平方公里内，不允许发射无线电信号。

　　

　　2001年首次被发现的快速射电暴也被称为“Lorimer暴”，其编号为FRB 010724。其实，还有一个快速射电暴被发现地更早，于2001年6月21日被探测到，编号为FRB 010621，但直到2012年才由Keane公布出来。2001年的第三个快速射电暴是10月25日被探测到的FRB 011025。

　　2011年，经过整整多年的沉默（这段时期内只有2009年6月25日探测到一个FRB 090625），人们又探测到3个快速射电暴，2013年6月5日，Thornton等人在Science上发表论文，公布了四个快速射电暴：FRB110220、FRB110627、FRB110703与FRB120127。

　　这段时间内，虽然有地球微波炉捣鬼（它们已经被开除），人们还是确定2001年发现的射电暴的确来自太阳系之外，要么来自银河系内部，要么来自更远的地方（如小麦云）。

　　顺便说一句，真正的快速射电暴的持续时间都不超过10毫秒，而来自微波炉磁控管的射电信号（Peryton）的持续时间都大多达到200多甚至300多毫秒，短的也有约20毫秒。

　　这些射电暴覆盖了较宽的波段，不同波长（频率）过来的信号之间存在时间差。我们知道，电磁波在真空中的速度就是光速，与波长（频率）无关。那么时间差从何而来？答案是：这些射电波并非在完全真空的环境中传播，它们经过宇宙中的一些物质，不同波长的射电波因此具有不同的速度。在太空物质中走过的距离越长，时间差越大。

　　测量不同波长的射电波达到地球的时间差的过程被称为“色散测量”。通过时间差的测量，确定色散量，继而确定射电波走过的路程，假定物质均匀分布，就可以确定出走过的距离。这是确定射电暴与地球距离的一个方法。

快速射电暴的起源

　　射电波的起源众说纷纭，至今未有定论。有的认为射电波来自致密星（黑洞或中子星）并合；有的认为可能与一些短伽玛暴同源，而短伽玛暴来自致密星并合。在这类模型中，发射射电暴的源只能爆发一次就玩完了，不会重复爆发。如同一次性纸巾，用完就成了垃圾。

　　还有的模型认为，射电暴来自高度磁化的中子星（磁星）的爆发，所谓的“hyperflares（巨耀发）”，爆发后，磁星依然存在。这种模型中，同一个源可以多次发出射电暴。

　　这样就形成两派，如同筷子有一次性筷子和重复使用筷子。

首次确定快速射电暴的精确距离？

　　2015年4月18日，Parkes天文台的射电望远镜发现了一个射电暴，命名为“FRB150418”。

　　下图为这个快速射电暴各个波段（频率）的光变曲线，可以发现，一个很小的尖峰迅速出现又迅速消失，而且不同频率的信号出现的时间不同，这正是上面说的色散效应导致的时间延迟（图来自Keane、Johnston、Bhandari等人，Nature，17140）。

　　

　　这个暴被探测到几个小时后，澳大利亚的射电望远镜致密阵以及其他一些射电望远镜发现了它的射电余辉，这个余辉经历6天之后才完全不可探测到。

　　日本的昴星团（Subaru）望远镜追寻这个射电暴的宿主星系，进而确定出它的红移为0.492 ± 0.008，距离约为60亿光年。下图为宿主星系所在的天区被逐级放大之后的图：左方圈住的区域被放大到右上图，由上图的一块区域被放大到右中图，右中图的一块区域（宿主星系）被放大到右下图。

　　根据探测到的流量与计算出的距离，这个射电暴的能量为8×10^31焦耳，而太阳的亮度为3.8×10^26瓦特，这个能量相当于太阳辐射20万秒，即约2天。它最亮时的亮度无法确定，但肯定超过1.3×10^35瓦特，是太阳亮度的3亿倍。

　　这是首次被确定出精确距离的射电暴。此前是色散测量只能推断出距离的大致范围，因为这个方法依赖于空间物质的种类与密度，而这并非已知的，只能假定一个典型值。

　　通过精确距离与测到的色散量，反过来可以确定出地球与射电暴之间的物质分布情况，进而确定出星系际电离重子物质的密度为4.9 ± 1.3%，与威尔金森微波各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，WMAP）测到的数据高度一致。

　　该小组确定出这个射电暴的圆偏振值大约为0，线偏振值为8.5±1.5%。

　　持续被观测6天的射电余辉特征与短伽玛暴（短暴）的射电余辉很类似，因此Keane等人认为这个快速射电暴与短伽玛暴同源，来自一次毁灭性的天体物理爆发事件，因此不是可重复的，而是一次性的。它不可能来自磁星的巨闪耀，也不可能来自超新星，因为短暴与超新星没有关联。

　　Keane等人在Nature上的论文并未认定所有快速射电暴都是这种类型，而是说：“……至少有两类快速射电暴（there are at least twoclasses of bursts.）”

　　这篇论文引起天文学界与媒体的轰动。然而不和谐的声音很快就出现了。哈佛-史密松天体物理中心（Harvard-SmithsonianCenter for Astrophysics，CfA）的Williams与Berger很快发文章质疑。他们认为，Keane 等人确定出的FRB 150418的宿主星系其实是一个活动星系核，因此亮度变化是活动星系核的普通变化。他们还认为，持续了大约6天的射电辐射其实不是伽玛暴的射电余辉，因为伽玛暴的余辉的起源是电子的同步辐射，而那个持续6天的辐射的性质与同步辐射不符合，因此它们认为这个射电源与快速射电暴并无关联，因此红移与位置的精确测定也无法检测其真实性。

　　总结一下，Keane等人认为：快速射电暴FRB 150418与持续一星期的射电源有同一起源，后者是短伽玛暴的余辉，所以快速射电暴与短伽玛暴源自同一**，因此是单次事件；Williams与Berger认为，那个持续一星期的射电源是活动星系核的辐射，不是伽玛暴余辉，因此快速射电暴FRB 150418与它没有关联。

重复爆发的快速射电暴：FRB 121102

　　2015年12月，加拿大麦吉尔大学（McGill University）的天文学家Scholz根据阿雷西博（Arecibo）射电望远镜在2015年5月到6月之间观测到的数据，分析发现了10个重复发生的快速射电暴。这10个快速射电暴的色散量、它们在天空中的位置都与2012年11月2日探测到的FRB 121102吻合。

　　下图为阿雷西博（Arecibo）射电望远镜，口径300多米。以地面为参照物，阿雷西博不可动，好在地球会自转，所以它其实可以观测到比较大的范围。上文说的绿岸射电望远镜，则可以相对地面变动位置，是可动单镜面望远镜中最大的。

　　

　　望远镜下方的“大锅”就是反射镜面，由多块小镜面拼接而成，每个小镜片下方有电动机精细控制，三个柱子的悬索吊着的仪器就是馈源。最近网络上流传的阿雷西博的图如下。这其实是夜间局部图，突出了馈源，却没有拍出大锅的全景；此外，那一束波浪形图案象征着射电波，是不可能被肉眼与光学仪器看见的，叠加上去，因此属于艺术图。

　　

　　研究这个可重复快速射电暴的论文发表于Nature（2016, 17168），作者为Spitler、Scholz、Hessels等人。下图为第1次、第2-5次、第6-11次爆发的位置（Spitler、Scholz、Hessels等人，Nature，2016, 17168）。

　　下图空白区中画的波浪线为11次爆发的波形图（Spitler、Scholz、Hessels等人，Nature，2016, 17168）。可以发现，这11个暴的波形、时间与流量都高度相似，这进一步表明它们来自同一个源。

　　

　　Paul Scholz认为，这个结果意味着，FRB 121102与之后的10次重复爆发都源自一个年轻的磁星。根据理论计算，银河系能够提供的总的色散量仅仅是观测计算值的1/3，所以该研究组确定这是来自银河系之外的射电暴。

结语

　　尽管快速射电暴可能有很多种模型，也因此有很多类，但可以确定的是：这两类模型可以分为一次性模型与可重复模型。本文介绍的两篇Nature论文研究的两个快速射电暴，一个可能来自一次性的爆发，一次则一定来自可重复爆发。

　　这是两个非常大的进展，已经引发世界天文学界又一发研（guàn）究（shuǐ）的热潮。

　　如果你看到这里，可能会怒问：外星人的微波炉呢？说好的外星人呢？

　　原谅我这个标题党吧……也许有一些快速射电暴是外星人用功率超大的微波炉搞出来的，不过本文介绍的这两个快速射电暴，属于天体物理中的剧烈爆发。外星人应该还没有这么高能。当然，我们也可以把造物主想象成外星人，把天体想象成他搞出的微波炉。

　　唧唧堂研究人简介：王善钦

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关键词：射电,微波炉

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