作者:张章 来源:中国科学报 发布时间:2016/7/26 10:02:28
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奇怪信号造访地球破解天文学最深的谜

 澳大利亚帕克斯射电望远镜在2001 年发现射电爆发。图片来源:Wayne England

没有宇航员曾经见过这个,也没有理论家曾预测过它。

2001年8月24日,一次持续5毫秒的射电爆发光临地球。没有人知道这些射线来自哪里,似乎是数十亿光年外的地方。

“它如此明亮,我们无法不理会。”该信号的联合发现者、美国西弗吉尼亚大学天文学家Duncan Lorimer说,“但我们也不知道用它做些什么。”研究人员在整理澳大利亚帕克斯射电望远镜数据时发现了这些信号。

这类转瞬即逝的射电爆发通常来自脉冲星——旋转的磁性恒星。但Lorimer认为这是单一性事件,且比以往所知的脉冲星爆发更有能量。

这不仅让人联想起英国天文学家约瑟琳·贝尔·伯奈尔1967年探测到来自太阳系外的神秘脉冲信号。她认为信号来自于一个地外智能文明,但后来证明这些信号的源头是快速旋转的脉冲星。这次,天文学家又捕获到令他们困惑的神秘信号,于是产生了一个疑问,即是否接收到来自外星人的信息?

在与前导师、澳大利亚斯文本科技大学天体物理学家Matthew Bailes彻底分析了数据后,Lorimer开始意识到该发现的重大意义。它的来源似乎与预计的一样远,几毫秒内爆发的能量就相当于5亿个太阳。“我们开始相信这确实不平凡。”他说。

但之后再没有任何爆发,于是最初的激动变成了怀疑。射电天文学家开始怀疑这种神秘峰值:很多事件都能导致这一现象,例如移动电话信号、雷达探测信号、特殊天气现象和设备故障等。不过,令人欣慰的是,之后几年又有研究小组发现了这些信号。

2012年,现工作于德国波恩马克斯普朗克射电天文学研究所的Evan Keane和同事发现了类似的事件;英国曼彻斯特大学的Dan Thornton及其同事一次发现了6起这样的事件。现在,2001年的事件被认为是奇特新来源的快速射电爆发(FRB),这也是天文学上最复杂的神秘现象之一。

无论这些信号是什么,随着观测到更多的FRB,科学家能够收集到比之前研究更多的细节。分析表明FRB非常频繁,天空中每10秒就会产生一次爆发。但人们仍然无法解释。理论家认为它们可能来源于正在蒸发的黑洞、中子星碰撞和大规模磁场爆发。但美国哈佛大学天文学家Edo Berger表示,即便最好的模型也无法解释所有观察值。

不过,答案可能很快就会清晰。全世界的望远镜都在寻找这种神秘爆发。其中,加拿大氢强度映射实验(CHIME)似乎在一天内发现了12次FRB,相关成果将于2017年底在线发表。

“该领域正在不断被探索。”Bailes说。

好奇驱使

天文学家似乎对“洛里默爆发事件”更有信心。2010年刚完成天体物理学博士学位的Sarah Burke-Spolaor搜罗了帕克斯射电望远镜的旧数据,以寻找更多的爆发事件。结果她发现了16个信号。

这些信号大部分与“洛里默爆发事件”显著类似。但它们也表现出了“分散性”,这意味着探测器出现高频波浪数百毫秒后才出现低波浪。而这种分散效应是Lorimer和Bailes发现的来自银河系外的经典爆发事件令人信服的最重要证据之一。

离子气体云中的星际电子更多以低频波浪相互影响,这就会轻微影响低频波到达地球的时间,并延长该信号。而在“洛里默爆发事件”里,这种延迟如此广泛,以至这种波必须穿越大量物质——比银河系内的物质多得多。

不幸的是,Lorimer和Bailes的发现过于平淡,而Burke-Spolaor的信号则与原始信号存在一个重要不同点:它们似乎从四面八方涌进来,而不仅仅是望远镜指向的方向。科学家将其命名为佩利冬(perytons)——神话中的有翼生物,并发现这些爆发可能源于闪电或一些人造来源。但它们也许不是天外来客。

Lorimer 决定暂时推迟FRB研究。“我还没有获得终身职位,因此不得不去做更主流的项目。”他说。而Bailes团队则在继续,并增加了帕克斯射电望远镜使用时间和频率分析。2013年,他们发现类似“洛里默爆发事件”的4个FRB候选者。但一些局外人仍对这些射线来自太空保持怀疑,一个重要原因是所有的FRB均由一个团队使用同一架望远镜获得。“我非常希望其他地方的其他人也能探测到。”Bailes说。

2014年,他的愿望成真。德国马普学会射电天文学研究所天文学家Laura Spitler小组利用波多黎各阿雷西博射电望远镜发现了一次爆发。“我欣喜若狂。”Bailes说。荷兰射电天文学研究所天体物理学家Emily Petroff表示,这个发现让大多数人相信FRB是真实存在的。但它们仍深陷迷雾。

2015年,Petroff团队表示已经知道佩利冬可能来自地球,并将目标锁定为微波炉。研究人员发现,只有在天文台厨房的那台微波炉还在运行时,强行打开炉门,微波炉突然停止工作,就会从炉门泄漏出一些微波辐射,而同时,望远镜的天线正好朝向这边。“我们已经解决了佩利冬之谜,并增加了我们对FRB是真实存在的信心。”Petroff说。

灵感爆发

但人们依然不知道FRB到底是什么。这个极短信号只有5毫秒,这暗示着来源必须是一个致密物体,直径不超过100公里—— 一个恒星质量黑洞或一颗中子星。

荷兰奈梅亨拉德伯德大学Heino Falcke和德国波茨坦马普学会重力物理学研究院Luciano Rezzolla认为,当一颗超新星爆发产生了一颗略微超重的紧密中子星时,就会发生FRB。

今年年初,Spitler团队报告称至少有一个FRB来源反复出现:阿雷西博射电望远镜所得的数据揭示在两个月时间里发生了一次爆发飓风,一些仅相隔几分钟。这一现象已被绿岸望远镜证实。直到那时,每个被观察到的FRB都是单一性事件,暗示了源头出现灾难性爆发或碰撞,并被破坏。

而重复出现的FRB则意味着其源头幸免于难。因此,Petroff表示,“我猜它与中子星有关”——不需要自我毁灭就能发射脉冲。Spitler也表示同意。例如,她指向蟹状星云:超新星爆发的产物。

1054年人们曾观察到此次爆发,之后出现了被灼热气体包围的迅速旋转的脉冲星。Spitler表示,该星云偶尔释放极其明亮的光和射电闪烁。如果它位于遥远的星系,并出现能量急剧提升,它将发射出类似FRB的东西。

Spitler指出,如果一个源头重复出现,最简单的解释是其他望远镜对FRB不够敏感,或不够幸运,无法观察到。也有人认为只有部分FRB能重复。“如果我们发现2~3个FRB群,我一点也不惊讶。”Petroff说。

一段长路

另一个重要问题是,FRB距离地球有多远。被观察到的20次爆发随机分散于太空,其源头似乎都位于银河系之外。但美国哈佛大学物理学家Avi Loeb表示,如此长的距离意味着源头能量输出超乎想象。

“如果爆发能重复,那源头不能被破坏,因此也不能释放如此多的能量。”Loeb说。“能量输出能限制它的距离。”或许,FRB的源头是银河系内的中子星,而分散的主要原因是未知电子云覆盖着它们。

但也有人认为系内存在如此稠密的星云应当在其他波段被发现。美国加州理工学院天体物理学家Shri Kulkarni梳理了数个望远镜的银河系源数据,结果一无所获。Kulkarni之前认为FRB来自银河系内,但现在他相信FRB是系外来客的证据是压倒性的。不过,Kulkarni没有排除FRB源头位于星系内的可能性,或许在10亿光年外,而非数十亿光年外。

无论如何,这个问题的答案对观察者而言将意味深远。如果FRB信号穿越等离子云,它们将携带临近星系的天气预报。如果它们确实来自深空,那将有助于解决长期存在的宇宙之谜。

但首先天文学家需要找到更多的FRB,并确定其位置。“直到现在,我们都只是在黑暗中摸索。”Berger说。完成该目标的方法之一是实时从射电望远镜数据中提取FRB,以便其他天文台的科学家能在多波段观测到爆发。

2月,该策略似乎取得成功,一个独立团队在帕克斯射电望远镜观察到FRB信号两小时内进行了追踪,并暂时将其定位在一个60亿光年外的星系中。虽然,进一步观测对这一结论提出质疑,但Lorimer仍表示,该方法在未来会成功。

如果FRB来自宇宙深处,Loeb表示,定位它们将是一个重大突破,或有助于探索宇宙中失落的物质。不过,FRB也可能是没有人想到的东西。“自然界远比我们想象的丰富。”他说。(张章)

《中国科学报》 (2016-07-26 第3版 国际)
 
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2016/9/21 16:46:36 jiashumao123
美国人声称探测到了引力波,这是根本不可能的事,因为黑洞根本就不存在。
2016/7/26 19:28:33 ep4h
可能是宇宙膨胀从真空中创生的粒子。
宇宙膨胀本身说明时空不对称,能量动量不完全守恒,创生粒子应该是可能的。
目前已有2条评论
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