揭秘銀河系里的快速射電暴

揭秘銀河系里的快速射電暴今年4月,中國的500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)幫助探測了SGR 1935+2154的情況。這顆磁星引發了快速射電暴,這也是人類首次在銀河系內探測到的快速射電暴。
攝影:BOJUN WANG, JINCHEN JIANG WITH POST PROCESSING BY QISHENG CUI.

撰文:MICHAEL GRESHKO
 
  4月28日,千分之一秒內,一股強大的射電波沖向地球,照亮了北美洲的射電望遠鏡。現在,天文學家已經找到了這個奇怪信號的來源,或許還將揭開尋求已久的最神秘的宇宙信號的面紗。
 
  在發表于11月4日《自然》雜志的三項研究中,一個國際科學家團隊確認,這是一場快速射電暴,即一種超強射電波閃光,持續時間只有幾毫秒。之前望遠鏡也曾捕捉到過這樣的爆發,但都來自銀河系外。多年來,研究人員一直在思考,是什么導致了這種轉瞬即逝卻爆發力極強的爆發,恒星爆炸、外星科技,各種猜測都有。
 
  現在我們知道,至少有一個來源可能是被稱為“磁星”的奇特恒星:這是大型恒星爆炸后誕生的年輕中子星,具有超強磁場。
 
  “第一次看到數據時,我簡直驚呆了,興奮得幾乎動彈不得,”加州理工學院的研究生、其中一項研究的首席著者Christopher Bochenek在11月2日的新聞發布會上說。

揭秘銀河系里的快速射電暴
2020年4月28日,加拿大的CHIME望遠鏡首次探測到快速射電暴。
攝影:ANDRE RENARD / CHIME COLLABORATION
 
  這個新信號是首個鎖定特定源頭的快速射電暴,為天文學家提供了詳細研究這種宇宙閃光的獨特機會。“我們得出了(關于快速射電暴)全新的溯源理論,”開普敦大學的天體物理學家Amanda Weltman在郵件中說。她沒有參與這些研究。
 
尋找黑暗中的爆發
 
  2007年,科學家首次發現快速射電暴,卻很難展開研究,因為它們發生的時間實在太短。早期,一些科學家懷疑它們否來真的自太空,會不會是被錯誤辨識的地球信號,比如來自微波爐。
 
  到2013年,科學家又發現了四次快速射電暴,并證實它們來自宇宙,這更增加了它們的神秘感。三年后,天文學家宣布發現了一個重復出現的來源,從而可以追蹤到距離地球超過26億光年的星系。現在,天文學家發現了100多次快速射電暴,其中約20次反復出現。
 
  發生時間短,來源距離遠,這讓天體物理學家在探尋快速射電暴的原因方面,遇到了很大的挑戰。但4月27日,NASA的兩架太空望遠鏡捕捉到了x射線和伽馬射線爆發,它們來自銀河系里的一顆磁星SGR 1935+2154。第二天,西半球的地面射電望遠鏡也接收到了它發出的信號。
 
  加拿大的CHIME望遠鏡最早探測到射電爆發與磁星來自同一片天空。這個望遠鏡由1000多個無線電天線組成,它們像巨大的金屬U型槽一樣排列在一起。CHIME望遠鏡的工作人員立即告知全世界的天文學家,建議他們把望遠鏡轉向這個天體。
 
  STARE2射電望遠鏡也接收到了這個信號。這是一個由低科技射電望遠鏡組成的陣列,每個望遠鏡由一根金屬管和兩個圓盤組成,分布在加州和猶他州。Bocheneks設計了STARE2并分析了觀測結果,他說,射電爆發如此強烈,從理論上說,連4G手機的接收器都能接收到信號。
 
  通過觀測同一片天空的x射線和射電爆發,天文學家把快速射電暴和磁星緊密聯系在了一起——這種神秘信號與特定天體首次產生了關聯。
 
揭開謎團
 
  磁星發出的信號是迄今為止在銀河系記錄到的最強烈的射電爆發。但與其他快速射電爆相比,這個實際上較弱,能量只有銀河系外的通常數值的千分之一。
 
  研究人員表示,他們推測,較弱的爆發比較強的更頻繁地發生;但如果距離太遠,我們無法探測到。總的來說,新研究充分證明,至少一些遙遠的射電爆發也來自磁星。
 
  “我認為我們無法得出結論,認為所有快速射電暴都來自磁星,但可以肯定的是,我們關于磁星是快速射電暴的來源之一的模型,可靠性很高,”蒙特利爾麥吉爾大學的博士后研究員、CHIME團隊的Daniele Michilli在新聞發布會上說。比如,最亮的射電爆發可能來自磁星以外的天體,Weltman補充道。
 
  這些數據還可以幫助完善磁星產生快速射電暴的理論。在同樣發表于《自然》的評述中,拉斯維加斯內華達大學的天體物理學家張冰提到了兩個最令人信服的可能性。一種是磁星表面噴射出的耀斑粒子以極快的速度,與周圍的碎屑發生碰撞,形成一個高度磁化的高溫大漩渦,釋放出x射線和射電波。另一種是磁星的超強磁場在糾纏與斷裂的過程中,釋放出了大量能量,從而形成快速射電暴。
 
  然而,張冰和同事還發現,從某種意義上來說,快速射電暴的發生條件較為罕見。4月28日快速射電暴發生前的幾個小時,他的研究團隊正在用中國的FAST射電望遠鏡(全世界最大的單口徑望遠鏡)觀測磁星,但沒有看到來自磁星的快速射電暴,雖然在觀測過程中,磁星發出了29次x射線閃光。
 
  在新聞發布會上,張冰指出,磁星很少釋放快速射電暴是可以理解的。如果每次磁星耀斑釋放出的x射線都會帶來射電爆發,那么天文學家觀測到的射電爆發會比目前發現的多100乃至1000倍。
 
  Weltman認為,這個領域的未來就像射電爆發一樣,充滿了光明。全球望遠鏡網絡正準備捕捉更多這樣的超強射電波,無論是否來自銀河系。射電爆發周期性地沖向地球,科學家將用它們對解釋這種宇宙現象起源的理論進行排除——這就是Weltman所謂的“真正的科學之美”!
 
(譯者:Sky4)
 
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