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谜一般的快速射电爆发

2016-12-01苗千

三联生活周刊 2016年48期
关键词:伽马射线射电天文学家

苗千

自从人类在21世纪初发现了快速射电爆发(Fast Radio Burst)现象之后,这种奇异的宇宙现象就开始逐渐吸引起越来越多天文学家的注意。

十几年过去了,针对这种来自银河系之外的奇异现象,天文学家们做出了各种模型和假设,甚至还怀疑过这是地外生命发送的某种带有数学规律的信号。现在,它已经成为天文学研究中的最大谜团。

理论模型与实际观测之间的巨大差异可能是天文学研究中最有趣、也最令天文学家们感到痛苦的地方,出人意料的新发现随时可能不期而至。在2007年,美国西维吉尼亚大学的天文学家邓肯·洛里默(Duncan Lorimer)在分析澳大利亚帕克斯天文台以往的观测数据时,发现了天文台64米口径的射电望远镜在2001年8月24日接收到一组短促的信号——一组只持续了5微秒却足够醒目的射电信号。这个如今被称为“洛里默爆发”(Lorimer Burst)的信号却让当时的洛里默感到无所适从,因为不仅没有任何理论可以解释这组信号的来源,人类此前也从没探测到这种奇异的信号。他开始怀疑是否是设备本身出了故障,比如接收到了周围的手机讯号,或是未明的卫星讯号,或是奇特的天气现象产生出的电磁波……

随着更多的天文学家发现了与洛里默爆发类似的信号,人们才开始逐渐意识到,这样的宇宙现象并非偶然,而是非常常见,只是人类很少能够恰好捕捉到而已。但仍然没有任何的理论足以解释这种宇宙现象何以存在。与之类似的,天文学家们只了解一种高速旋转的中子星——脉冲星(pulsar)可以发射出周期性的电磁脉冲信号。但是快速射电爆发所发射的能量强度远远超过了脉冲星,这让宇宙学家们对这种奇异宇宙现象的源头充满了好奇。人们猜测这有可能是黑洞在吞噬其他天体时发出的高强度的辐射,也有人猜测可能是两个中子星碰撞时所爆发出的惊人能量——快速射电爆发可能确实是由一种毁灭性的过程所产生的,因为人们很少能在同一个地点发现两次快速射电爆发。

天文学家们开始在世界各地修建天文台,用来专门观测快速射电爆发现象。其中由加拿大英属哥伦比亚大学、麦吉尔大学、多伦多大学和自治领射电天体物理观测台等几个机构合作建设的加拿大氢强度映射实验(Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment)将在2017年底完成。随着地球的自转,这个巨大的射电望远镜阵列每天都将可以探测半个天空的射电信号,届时或许每天都可以发现数十次的快速射电爆发,但是这种现象的成因,对于天文学家们来说仍然是一个谜团。

无论快速射电爆发是由什么样的原因引起,目前可以肯定的是,这些剧烈的宇宙奇观一定都是发生在远离地球,乃至远离银河系的河外星系。对于已经探测到的快速射电爆发现象,天文学家们使用一种被称为“差量测量”(dispersion measure)的方法来测量其源头与地球的距离。这种方法的原理就在于当快速射电爆发产生出不同频率的电磁波在宇宙空间中穿行时,其中低频的电磁波更容易受到自由电子的干扰而被阻碍,相对来说高频电磁波的路程就更加顺畅。因此,当地球接收到这些短促的射电信号,其中高频和低频部分就会有一个明显的时间差。信号所经过的路程越遥远,高频与低频信号之间的时间差就越大,于是天文学家们可以从这个时间差大致推断出射电信号在空间中经过了多远的距离。

计算出的大致结果远超人们的想象。这些快速射电爆发的信号在到达地球之前都运行了55亿到100亿光年,这个距离远超银河系的范围,也就是说,快速射电爆发只能发生在河外星系中,这让它更增添了几分神秘感。

1.美国西维吉尼亚大学的天文学家邓肯·洛里默2.快速射电爆发传到地球3.建设中的加拿大氢强度映射实验装置

最近,对于快速射电爆发的观测由给天文学家带来新的谜团。在2016年11月出版的《天体物理学杂志通讯》(The Astrophysical Journal Letters)杂志上,美国宾夕法尼亚州立大学的几位天文学家报告了在观测到名为“FRB 131104”射电爆发的同时,通过美国航空航天局的“雨燕卫星”(Swift Satellite),在相同的时间,相同的方向发现了能量巨大的伽马射线爆发。这是人类第一次观测到快速射电爆发伴随以更高能量的伽马射线爆发,这彻底改变了人类对于快速射电爆发的认识,从此天文学家们可以在地面上利用射电望远镜探测射电信号,同时在地球轨道上探测伽马射线。如果说快速射电爆发的能量相当于宇宙中的一声口哨,那么随之而来的伽马射线爆发所携带的能量则相当于一记重击。相比之下,伽马射线的能量相当于射电信号能量的10亿倍以上。究竟是什么剧烈的宇宙现象才可能形成这样的大爆发?而这次观测有没有可能帮助科学家们理解快速射电爆发的成因?

距离地球100亿光年之外的一两个天体忽然放射出巨大的能量,在这个过程中发射的射电信号持续了几微秒,而同时产生的伽马射线爆发则持续了几分钟的时间(这两个现象纯属巧合,同时发生的概率极低)。有些天文学家对于这个观测结果感到高兴,因为他们的模型预测了快速射电爆发可能会伴随着伽马射线爆发。例如磁星(magnetar)——一种具有超强磁场的中子星就有可能反复产生出高能量的射电信号,同时伴随着伽马射线;两个中子星碰撞合并成为一个黑洞也可能产生出这种效果。但问题是,磁星或中子星的碰撞都远远无法产生出如此高能量和长时间的伽马射线。反过来说,超大黑洞吞噬恒星或超新星爆发时有可能产生高强度的伽马射线爆发,但是这样的过程并不会伴随着辐射出射电信号——这个谜团仍然没有解开。

天文学家们或许需要建立更多的模型以解释各种奇异的宇宙现象,但他们更需要的显然是更多更精确的观测数据。通过探测快速射电爆发与地球之间的精确距离,天文学家们或许还可以解开另外一个谜团:宇宙中的重子(主要是指质子和中子)数问题。目前人们所观测到的银河系内的重子数与理论计算的结果相差甚远,那么在星系之间的宇宙空间里,是否会有更多尚未被发现的重子?人们可以通过空间中电子的数量大致推算出重子数。那么,如果可以精确地探测到快速射电爆发的位置,通过差量测量方法反推,也就可以计算出星系空间中的重子数量了。

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