天文学家如何追踪到一个令人费解的信号,最终发现是午餐时的错误

澳大利亚科学家解开了“佩里顿”之谜,这是一种令人困惑的、源自地球的无线电波。
A glowing bluish star remnant bursts with X-ray beams in an artist's illustration.
这张插画描绘了一个由磁星(一种超强磁化的中子星残骸)爆发的强大X射线,这表明这些天体残骸可能是神秘的快速射电暴的可能来源。美国宇航局戈达德太空飞行中心/Chris Smith (USRA)

在《我犯了一个大错误》系列中,PopSci 探索了各种令人羞愧又引以为傲的失误和误解。

天文学家对快速射电暴(FRB)着迷不已,这都要归功于它们的神秘性。这些巨大的无线电波脉冲从外太空,常常是来自银河系之外的地方,喷射到地球。然而,近10年前,这些脉冲几乎被当作噪音而忽略,原因竟是一次午餐时的失误。FRB是来自太空的真实信号,但一种非常相似的无线电波,被称为“佩里顿”,其根源却是一个源自地球的错误。

当第一个FRB于2006年被发现时,研究人员知道他们发现了一些意想不到的东西——但他们不知道那是什么。西弗吉尼亚大学的天文学家邓肯·洛里默(Duncan Lorimer)莫拉·麦克劳克林(Maura MacLaughlin)正在搜寻过去的射电望远镜观测数据,寻找来自脉冲星(快速旋转的死亡恒星残骸)的信号。脉冲星之所以会脉冲,是因为它们有明亮的喷流扫过地球,就像一个星际灯塔。有一天,一位参与该项目的学生带着一个奇怪的发现前来汇报:一个比预期亮一百多倍的脉冲。

该团队首先认为这可能是地球无线电传输的干扰,但这个脉冲具有一切来自太空物体的典型特征——它无疑是宇宙产生的一种新奇而奇特的现象。他们于2007年在著名的《科学》杂志上发表了这一发现,这个首次发现的FRB被称为“洛里默脉冲”(Lorimer burst)

洛里默脉冲的发现激发了更多搜索,天文学家们搜寻射电数据,以查找过去观测中是否错过了其他FRB。然而,FRB非常难以捉摸,多年过去,新的FRB一个也未被发现。

然而,天文学家确实在2007年发现了另一种信号:“佩里顿”(peryton)。没有人确切知道它是什么,但它出现在射电望远镜的数据中已有数十年,看起来有点像FRB,而且明显来自地球——而不是像洛里默脉冲那样声称来自太空。

洛里默说,这些佩里顿“基本上对最初的事件产生了怀疑”。它的名字也暗示了这种怀疑——神话中的佩里顿,由阿根廷作家豪尔赫·路易斯·博尔赫斯创造,是一种会投射出人类影子的麋鹿-鸟混合生物。“很多人就此放弃了。”

但并非所有人都放弃了。当时,一位名叫艾米丽·佩特罗夫(Emily Petroff)的澳大利亚研究生正在撰写关于FRB的博士论文。然而,她的导师对佩里顿非常担忧,要求她彻底查明这个谜团。“两者(佩里顿和FRB)之间的界限模糊到令人担忧,”她说。在她攻读博士学位期间,她会向她的研究小组展示新的研究成果,但总会收到同一个问题,她回忆道:“这很棒,但我们解决佩里顿问题了吗?”

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佩特罗夫和她的合作者收集了在他们本地设施帕克斯天文台(Parkes Observatory)观察到的所有关于佩里顿的线索。佩里顿只在望远镜指向特定方向时出现,因此科学家们推断它一定是天文台里的某种东西。他们的监测系统显示,在观察到佩里顿时,能量会飙升,频率大约在2.5吉赫兹,这是WiFi、蓝牙、厨房电器和其他电子设备常用的一个频率。查看旧数据发现,自1998年以来就发生了这些能量飙升,因此原因一定是几十年前的技术。最决定性的证据是——它们在午餐时间附近发生的频率更高。

所有迹象都指向微波炉,因为佩里顿似乎就来自有微波炉的两个建筑物。但具体是微波炉的什么使得这种信号产生呢?天文台的工作人员尝试了各种方法:加热水、加热不同的食物、使用不同的设置等等。在他们实验时,一名工程师会站在微波炉旁,通过对讲机与另一名在望远镜旁的工程师沟通。最终,他们尝试打破了微波炉的一个重要规则——在运行时打开门。

然后,佩里顿出现了。

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这个谜团得到了一个清晰、令人满意的答案。这项研究成果于2015年在《皇家天文学会月刊》上发表,反响热烈。佩特罗夫现在在加拿大周界研究所(Perimeter Institute)担任支持人员,她说:“我听大学老师、高中老师说,他们把这篇论文作为科学运作的案例来教授。我想我从未有过如此令人满意的研究时刻。”

随着佩里顿之谜的解决,天文学家们终于可以将更多精力投入到FRB的解谜工作中。在最初的洛里默脉冲发现六年后的2013年,他们终于探测到了一批第二批FRB,到2015年,FRB的数量已接近十几个。而且,这种势头丝毫没有停止的迹象,加拿大的CHIME仪器每天都能发现多个FRB。其他射电望远镜也正在积极地进行观测:西弗吉尼亚州的格林班克望远镜(Green Bank Telescope)、南非平方公里阵列(Square Kilometer Array)的前身、加州的深层巡天阵列(Deep Synoptic Array)以及澳大利亚的ASKAP。“十年后,我们可能会发现超过5万个FRB,”洛里默说。

天文学家们终于有了一个关于这些天体究竟是什么的线索。主流理论认为FRB源自磁星,即具有极强磁场的旋转死亡恒星(类似于脉冲星)。麦吉尔大学的天文学研究生艾丽斯·柯蒂斯(Alice Curtin)解释说:“当你在旋转木马上旋转时,由于你的旋转,你会获得一些旋转能量。”但磁星在其磁场中也储存着能量。“我们认为,这可能与磁场能量的释放有关,而这正是驱动FRB的原因。”

FRB也被证明是探索宇宙的非凡资源。柯蒂斯补充道:“FRB中编码了关于我们与它们之间所有物质的信息。”凭借着新扩充的FRB目录,天文学家可以追踪难以看到的、充斥在恒星之间的尘埃和气体。当FRB穿过太空中的物质时,它的一部分会被减慢,导致FRB在不同频率上扩散开来。通过观察这种扩散的程度,科学家们可以估算出物质的含量。就在今年早些时候,一个团队利用FRB探索了银河系,发现我们的星系实际上比预期的物质含量要少

佩里顿已成过去:射电台现在对微波炉的使用有更严格的规定。但其他射电干扰源却在不断增加,威胁着天文学家观测夜空的能力。例如,SpaceX臭名昭著的星链卫星正在破坏主要望远镜周围所谓的“无线电静默区”。对于一些地面天文学来说,未来看起来充满挑战,而且解决起来不像关掉一台微波炉那么容易。

但就目前而言,产生佩里顿的微波炉的故事是一个很好的例子,说明了一个带来令人满意科学结论的错误——而且是一个有趣的故事。佩特罗夫说:“当我与人们谈论FRB,甚至只是谈论射电天文学时,几乎总会有人提到微波炉。”

 

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Briley Lewis

撰稿人

Briley Lewis 博士(她/她)是一位自由撰稿的科学作家和天文学家。在 Twitter @briles_34 上关注她,或访问她的网站 www.briley-lewis.com。


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