宇宙中最剧烈的事件之一也是最常见的事件之一。每天都有成千上万的事件点缀着地球的天空,但它们消失得如此之快,以至于天文学家直到大约十年前才意识到它们的存在。科学家们仍然不知道是什么导致了它们。
我们对这些神秘的闪光所知的一切都符合它们的名称:快速射电暴——行家们称之为FRB。它们只持续千分之几秒。它们的亮度超过了天空中几乎所有其他射电波源。而产生它们的任何东西都具有非常非常强大的能量。
现在,研究人员有更多的数据可以研究了。利用澳大利亚沙漠偏远地区的一个新射电望远镜阵列,一个团队通过一篇发表在周三《自然》杂志上的论文,独自将已证实的观测数量增加了近一半。新收集的数据证实,这些事件,无论是什么,都发生在难以想象的遥远地方,并表明研究人员可以利用这些宇宙信使来探测那些原本无法到达的星系际空间。他们的成就标志着射电暴天文学新时代的开始,在这个时代,天文学家衡量探测之间的时间单位是天,而不是年。
“我们观测到3.5天后就找到了第一个FRB,”斯威本大学的天文学家瑞安·香农(Ryan Shannon)说,他领导了这项工作。“虽然事实证明我们有点幸运。在整个搜索过程中,我们大约每14天就能看到一次。”
该团队如此频繁地发现射电暴,并且在他们观测的大多数方向上都发现了射电暴,这支持了被广泛接受的结论,即这些闪光一直在到达地球——每天多达10,000次。但尽管它们一直存在于我们的天空中,但它们的短暂性意味着第一个直到2001年才被记录到硬盘,直到2007年才被注意到。然后,科学家们花了数年时间来决定他们数据中的这些幽灵是否真的代表了宇宙事件(后来证明一些看似相似的闪光是不耐烦的研究人员过早打开微波炉造成的)。
“2012年,我们只知道一个FRB,而且没有人知道它们是否真实,”快速射电暴研究员艾米丽·佩特罗夫(Emily Petroff)说,她识别出了第一个实时FRB,并维护着一个信誉良好的信号目录。截至周三,该数据库中仅列出了28篇在同行评审期刊上发表的FRB。现在它已膨胀到47个独立条目。“在一个出版物中增加20个FRB是一项令人难以置信的努力,”她说。
尽管它们一直都在发生,但天空非常广阔,FRB又很短暂,所以天文学家必须在正确的时间出现在正确的地点。来自我们星系之外的信号在传播过程中也会以特定方式扩散,而且由于没有人预料到短事件会足够明亮以至于像FRB那样跨越宇宙,所以直到近些年人们才以正确的方式进行观测。
香农的团队使用澳大利亚平方公里阵列巡天望远镜(ASKAP)发现了这些闪光。ASKAP是由八个相对较小的天线组成的阵列,位于远离手机和(可能还有)微波炉干扰的沙漠地带。该团队在2017年的大部分时间里,每天24小时,将碟形天线指向不同的方向。每个单独的望远镜都比其他大型射电望远镜弱,但它们结合起来可以覆盖大片天空——据香农说,大约相当于1000个满月的大小。这个区域只占天空的百分之零点三,但仍然比以前的单望远镜搜索范围宽数百倍。广阔的范围还让他们在每次发现后进行总计12,000小时的后续观测,以寻找最终的奖励:重复出现的信号。
在已知的约四打FRB中,几乎所有都是一次性事件。然而,有一个FRB被证明异常活跃和不规则,在几小时内发射出数十个脉冲,然后消失数月。这种行为使得天文学家能够比其他已知的射电暴更广泛地定位和研究它,它被称为“重复器”。澳大利亚团队希望找到更多的重复器,但没有成功。“我们没有看到任何在FRB发生之前或之后的信号迹象,”香农说。
然而,他们确实获得了发现迄今为止最明亮射电暴的荣誉,该射电暴在一毫秒内释放的能量相当于我们的太阳80年释放的能量。至少对香农来说,这种能量消耗水平平息了一个牵强的说法,即这些脉冲是外星推进器的副产品,相当于宇宙中的汽车回火。毫无疑问,没有哪个先进文明会有如此宽松的效率规定。
香农的团队还证实,这些“天体物理瞬变”发生在遥远的星系中——有些确实位于宇宙的一半远。当光线穿越宇宙时,它们会遇到电子,电子会温和地弯曲它们的路径。有些光线弯曲得比其他光线多,整个射电暴就扩散开来。我们在地球上看到类似的情况发生,白光穿过棱镜时会分散成彩虹。然而,在这种情况下,天文学家不确定宇宙“棱镜”是如何组织的。星系之间的空隙中的物质太微弱、太遥远,无法直接研究,所以团队希望通过对大量FRB进行编目并测量它们的扩散程度,来了解这种物质是什么样的,是浓密还是稀薄,是块状还是光滑。
收集快速射电暴探测数据的另一个好处是什么?我们也许真的能弄清楚它们是什么。香农和佩特罗夫都表示,普遍的看法是它们来自中子星,即那些没有完全坍缩成黑洞的恒星残骸。虽然我们星系中没有任何东西比ASKAP看到的更明亮,但只有超密的中子星才足够小、足够灵活、足够极端,能够喷射出巨大的毫秒信号。无论FRB是来自碰撞的中子星、中子星撞击黑洞、尚未成熟为更稳定的脉冲星的混乱幼年期中子星,还是中子星正在做一些全新的事情,这些天体很可能就是谜团的核心。
随着射电天文学界投入更多设备来寻找新的FRB,答案应该很快就会出现。ASKAP明年将重新投入搜寻工作,天线数量将增加四倍,并将所有天线指向同一片天空区域,以期精确定位任何射电暴的起源星系。佩特罗夫还列举了明年将投入使用的几个其他阵列,它们都旨在进行范围广泛但又精确的观测。“我们将找到很多FRB,”她说。“我们都会因此大有收获。我不知道我们是否已经准备好了。”
她说,天文学界已经从其为期四十年的探寻简短伽马射线暴(简短回答:也是中子星)成因的过程中,学到了很多关于该问什么样的问题。她认为,更先进的技术加上智慧,将在此次努力中起到加速作用。“这肯定还需要几十年,”她说,“但按照我们现在的速度,我认为有太多聪明的人在努力工作,很快就会有结果。”