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科学探索|《自然》：最神秘的宇宙信号，首次确定来源

2007年，天文学家发现了一种持续时间只有几毫秒的高能天体物理现象——快速射电暴（FRB） 。10多年来，它的来源众说纷纭，甚至更加神秘 。发表于《自然》的最新研究，首次明确了FRB的一个来源——今年4月，两个天文台分别观测到了银河系内一颗磁陀星的射电爆，这表明磁陀星至少是部分FRB的来源 。
科学探索|《自然》：最神秘的宇宙信号，首次确定来源
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磁陀星的艺术概念图（图片来源：ESO/L 。Cal?ada）
最近，天文学家们一直在监测着距地球3万光年处，一颗早已死亡的恒星残骸所发出的奇特高能辐射该天体属于“磁陀星”（magnetar），这是一种巨大的磁中子星 。天文学家从中意外地发现了仅仅持续几毫秒的强烈射电波爆发 。这也是迄今观测到的最为明亮的一次磁陀星爆发 。

上述射电波爆发虽然源于我们所在的银河系，但却与一种名为快速射电暴（fast radio burst，FRB）的射电波闪变现象十分相似 。FRB转瞬即逝，极为明亮 。此前的观测记录尚无法确定它由什么物体发出，但它们都来自其他星系 。如今的新发现确定了这颗磁陀星是一次FRB的来源，或许能够解决关于FRB起源的至少一个谜题，尽管谜底可能会引向更多谜团 。
“这确实是一项突破，而不是滥用这个词 。” 荷兰射电天文学研究所和阿姆斯特丹大学的杰森·赫塞尔斯（Jason Hessels）说道 。此次的结果不能一下子解决所有关于FRB的问题，但可以使我们向这个目标迈出一大步 。
今年4月下旬，至少有两个射电天文台发现了那次射电暴 。研究团队将射电波追溯到一个高磁性中子星，也就是前文提到的那颗恒星的残骸 。这颗位于银河系深处的死亡恒星名为SGR 1935 + 2154，质量是太阳的40~50倍 。在大约一周的时间内，它一直在向宇宙发射高能辐射 。
这是人类首次观测到伴随如此大规模伽马射线的射电暴 。由于此次射电暴既明亮又短暂，如今一些天文学家把它视为研究数十亿光年以外FRB的绝佳模型 。
阿姆斯特丹大学的艾米丽·彼得罗夫（Emily Petroff）表示，即便如此，要使这种微弱的联系更加明确，就需要清楚地评估该来源与先前观察到的FRB有何不同 。“正如研究FRB那样，必须避免‘见树不见林’ 。我们需要担心的是，这个来源只是个特例 。”
捕捉FRB
十多年来，FRB一直是宇宙中最难解的谜团之一 。这些射电波以光速行进，通常在宇宙穿梭数十亿年之后才会被我们观测到 。这意味着，释放这些射电波的天体必须十分强大 。到目前为止，观测到的所有爆发均来自遥远星系 。关于此现象的起源，天文学家多年来已经提出了数十种假说，其中包括正在蒸发的黑洞、爆炸中的恒星、发生碰撞的巨大天体 。当然，还有一些不太正经的猜想，认为这是外星人在传输的我们听不懂的信息 。
越来越丰富的观测结果使假说更加完善 。天文学家观测到一些重复性的爆发，这说明其来源无论是什么，都不会在产生一次FRB后自毁 。研究团队将多台望远镜对准天空中的多个位置，开始了对射电暴的实时捕捉 。不久，好几次射电暴的宿主星系都被追溯到了 。然而，即使天文学家已收集了数百次爆发的数据，射电暴的起源仍然被疑云笼罩 。
彼得罗夫说：“我们每一次找到的新射电暴，都会与之前有所不同 。我原本希望每次找到一个新的时，它都能证实我们之前所了解到的所有知识，但是现实从来不是这样的！射电暴远比我们想象的多种多样，因此我们必须更加专注 。”
天文学家使用CHIME（加拿大氢强度测绘实验）射电望远镜首次发现了这次新爆发 。这台位于加拿大西南部的望远镜，专门用来搜寻FRB 。自2018年末启用以来，已发现了数百个此类信号 。这次新爆发出现在望远镜视野的外围，但由于其十分强烈，仍然可以被轻易观测到 。
科学探索|《自然》：最神秘的宇宙信号，首次确定来源
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图片来源：CHIME
“这是一次来自磁陀星的非常明亮的射电暴 。”多伦多大学的保罗·舒尔茨（Paul Scholz）说道，他在“天文学家电报”网站上向CHIME团队实时报道了本次爆发事件 。“这就是磁陀星与FRB之间的联系吗？有可能 。”
接到通知后，加州理工学院的天文学家对他们在爆发后时间段内收集的数据进行了初步检查 。他们的观测结果由位于加利福尼亚州和犹他州的三个射电天线共同收集，是STARE2（第2次瞬态天文射电发射调查）项目一部分，专门用于探测来自银河系内部的FRB 。
与CHIME不同，STARE2从正面捕捉到了该事件，这使研究人员可以快速计算爆发的亮度 。据他们估计，爆发如果发生在已知距离最近的银河系外FRB处（约5亿光年外），那么从地球上仍然很容易被检测到 。对加州理工学院的斯里尼瓦斯·库尔卡尼（Shrinivas Kulkarni）而言，此次爆发的亮度和毫秒级的持续时长，是其与FRB的决定性关联 。
STARE2项目的首席研究员库尔卡尼表示，根据这些观察结果，“FRB的一个合理起源，便是其他星系中的活跃磁陀星 。如果我们等待得足够久，也许这个磁陀星甚至将会产生更明亮的爆发 。”
第三个观测结果来自另一个使用了欧洲航天局的轨道INTEGRAL（国际伽马射线天体物理学实验室）观测台的团队，他们把射电暴与同时来自同一物体的X射线暴联系在一起，从而将其来源确定为磁陀星 。在那之后，中国的500米口径球面射电望远镜（FAST）则探测到了SGR 1935 + 2154的另一次射电暴，这次爆发的来源也指向磁陀星 。库尔卡尼说：“我敢用一年的工资打赌，就是这个来源 。”
磁陀星爆发
几年来，已有多种证据将磁陀星认定为造成FRB的“罪魁祸首” 。这些中子星旋转得极其迅速，并拥有极为强大的磁场，二者结合便可以产生巨大的辐射爆发 。科学家还观察到，一些FRB具有强烈而“扭曲”的极化现象 。这表明它们起源于或曾穿过强磁环境，比如这些死亡恒星的周围 。
但答案的全貌尚未揭晓 。赫塞尔斯说：“很长一段时间以来，人们一直在反驳说：‘但是我们从未见过银河系中的磁陀星有什么动静，它们的亮度甚至都称不上明亮 。既然如此，其他星系中的磁陀星怎么就可以呢？’”
如今，有了这项新发现，天文学家正在仔细研究FRB和磁陀星之间的联系 。“我不会说这就是最终的定论，或者这就是必不可少的中间环节，”彼得罗夫说，“但通过这项研究，我们距离找到银河系中天体与产生FRB的天体之间的联系更近了一步 。”
天文学家指出，尽管此次爆发比从此前磁陀星中观测到的任何爆发都要明亮，但它的强度仍然比大多数FRB弱几个数量级 。研究人员可能会首先发现较微弱的爆发，这在意料之中，因为微弱的爆发可能比非常明亮的爆发更多，正如轻微的地震比大地震更频繁一样 。较强的恒星耀发（flare）也可能产生较强的射电暴 。虽然罕见，但有些磁陀星可以产生强大的耀发，即使隔着遥远的星际距离，它们也能改变地球的电离层 。赫塞尔斯说：“我很想知道，如果我们捕捉到了一次那样的巨型耀发，我们会看到堪比FRB那般明亮的爆发吗？”
另一个未解的谜题是，FRB是否可以具有多个不同的来源？迄今为止，观察到的大多数爆发都是独立的事件，但也有十几次有着神秘来源的爆发是反复发生的 。距离我们最近（约有十亿光年）的重复性FRB被称为R3，每16天爆发一次 。科学家怀疑，R3的周期性活动与锁定在其引力范围内的其他物体有关 。但是，磁星SGR 1935 + 2154似乎没有任何类似的轨道同伴 。
【科学探索|《自然》：最神秘的宇宙信号，首次确定来源】赫塞尔斯说：“我希望不仅只有一种FRB 。我也希望通过更深入的研究，可以同时发现很多东西 。”


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