让人又爱又恨的快速射电暴

　　20世纪雷达技术的发展，带动了射电天文学的兴起。回首人类首次发现脉冲星的射电信号，弹指间已过了50余载。全球科学家们斥巨资建造大型射电望远镜，致力于探索宇宙中的神秘信号。

　　前不久，加拿大氢强度测绘实验（CHIME）观测到了13 个暂歇的信号源，其中有一个特殊的信号源，产生了6次无规律极亮而短促的爆发。这一重大的发现，引起了诸多天文学者的关注，更点燃了无数公众对宇宙神秘信号的好奇心。它们到底是何方神圣？它的产生机制又是什么？

　　天文学界将这些极亮而短促的信号，称之为快速射电暴（Fast Radio Burst， FRB）。顾名思义，“快速”指的是其发生的时间非常短，大约在0.1-10个毫秒左右，“射电”指的是其辐射波段主要为无线电波段，“暴”则是指一种释放大量能量的暂现过程，故而快速射电暴指的是一种毫秒级暂现射电天文信号。

图1.FRB 010724频率-时间图

（图片来自参考文献[1]）

　　2007年，Lorimer 等人在分析已存档的脉冲星巡天数据时，发现第一例FRB，见图1[1]；随后，Keane、Thornton 等团队陆续发现了更多例FRB[2-3]。这标志着FRB的研究正式成为时域天文学的一个重要新方向。迄今为止，我们共探测到了60余个FRB信号源，它们在天图中几乎呈均匀分布。

　　FRB究竟距离我们多远呢？我们知道电磁波在宇宙中传播时，通常受到星际介质的影响，高频电磁信号总是比低频信号更早到达接收机，这一现象就是电磁波的色散，如图2。色散的程度取决于传播路径的物质密度以及传播的距离，因此，我们可以通过不同频率到达接收机的时差，得出色散量的大小，进而估计信号源与我们的距离。根据色散量的估计，我们发现所有的FRB，都是来自银河系以外的起源。

图2.不同频率电磁波受色散影响，到达探测器的时间不同

（图片来自https://phys.org/news/2018-04-fast-radio.html）

　　FRB好比一群狡猾的罪犯，出现地点随机，作案的时间极短，因此我们很难捕捉到它们的踪迹。然而，如果有那么一两个成员喜欢在同一地点重复作案，那么兴许我们守株待兔，更容易捕捉到它。FRB 121102与FRB 180814.J0422+73，就是这样两名特殊的成员，它们是迄今为止看到的唯二的重复暴源。

　　重复FRB，在天文研究中尤为重要，它们可能向我们揭示更多关于FRB起源的奥秘。

　　2012年，Arecibo望远镜在御夫座天区发现一例FRB事件，后续的观测中发现，在同一位置，产生了多组重复的FRB，进而认证了第一个重复暴FRB 121102。2017年，FRB 121102的宿主星系得到认证，其宿主星系为一个距离我们大约30亿光年的矮恒星形成星系[4]，如图3所示。一年后，通过偏振的测量，天文学家发现FRB 121102可能处于一个极高的磁场环境中，这一点与其他非重复暴大不相同[5]。

图3.FRB 121102的宿主星系

（图片来自https://www.gemini.edu/node/12620）

　　2019年，《Nature》报道了第二个重复暴FRB 180814.J0422+73的探测。通过色散量，可估计第二个重复暴距离我们大约15亿光年[6]。关于第二个重复暴的宿主星系，以及身处怎样的环境，还需要进一步的确认。

　　值得关注的是，二者的“子脉冲”存在相似的频率-时间结构，这表明两个重复暴可能具有相同辐射机制。

　　FRB具有极高的光度，它们在短短几毫秒就可以辐射太阳大概一天释放的能量。科学家推测FRB的产生极有可能与致密天体的活动有关。

　　致密天体是一些体积很小，但质量极高的天体。比如，典型中子星的大小只有10公里左右，但是它的质量却能达到太阳的1.4倍。我们通常说的致密天体有三种，分别是白矮星、中子星和黑洞。

　　起初，人们认为致密天体的并合有可能是FRB的起源，然而重复暴的发生并不支持这一类灾难性现象的理论。虽然目前对于FRB重复暴的研究中尚未发现周期性重复的信号，但并不妨碍天文学家将脉冲星列为最有可能的FRB起源。

　　脉冲星具有极高的磁场，可产生极强的相干射电辐射。内华达大学拉斯维加斯分校教授张冰提出FRB可能来自于一束等离子体流与脉冲星的相互作用[7]；哥伦比亚大学的Beloborodov、Metzger等人认为可能是一类磁场极强的脉冲星（磁星）耀发激发了FRB的产生[8-9]；此外，脉冲星的星震活动也有可能作为FRB的起源[10]。究竟何种活动促成了FRB的产生，科学界目前尚无定论。

　　随着望远镜技术的进步，不久的将来我们将探测到更多FRB的案例。通过统计分析，我们可估计FRB在整个天图的事件率为每天一千到一万个。

　　在FRB领域研究方面，我国的天眼FAST、天籁等射电望远镜正积极参与，相信不久的将来，随着探测手段的进步，理论研究的不断深入，人们终将揭开FRB的神秘面纱。

　　参考文献：

　　[1] Lorimer, D. R., Bailes, M., McLaughlin, M. A., Narkevic, D. J., & Crawford, F. 2007, Science, 318, 777

　　[2] Keane, E. F., Stappers, B. W., Kramer, M., & Lyne, A. G. 2012, MNRAS, 425, L71

　　[3] Thornton, D., Stappers, B., Bailes, M., et al. 2013, Science, 341, 53

　　[4] Chatterjee, S., Law, C. J., Wharton, R. S., et al. 2017, Nature, 541, 58

　　[5] Michilli, D., Seymour, A., Hessels, J. W. T., et al. 2018, Nature, 553, 182

　　[6] The CHIME/FRB Collaboration, :, Amiri, M., et al. 2019, arXiv:1901.04525

　　[7] Zhang, B. 2017, ApJ, 836, L32

　　[8] Beloborodov, A. M. 2017, ApJL, 843, L26

　　[9] Metzger, B. D., Berger, E., & Margalit, B. 2017, ApJ, 841, 14

　　[10] Wang, W., Luo, R., & Han, Y. 2018 ApJ, 852, 140

　　作者：王维扬，系国家天文台宇宙暗物质暗能量研究团组博士一年级。研究方向为快速射电暴、高能天体物理，已发表相关领域4篇sci文章。