随着地球的转动,CHIME的凹槽扫过天空,捕捉到短暂的无线电脉冲,并将信号集中到顶部的天线上。
图片来源:ANDRE RENARD
■本报记者 唐凤
在加拿大自治领天体物理射电天文台里,科学家仍旧需要老式的技术:便笺簿和笔。人们需要关掉数码录音机和手机,把它们藏在一个装有法拉第笼的屏蔽房间里。法拉第笼是一种金属网,可以防止杂散的电磁信号逸出。这一切的目的是防止该天文台最新的射电望远镜——加拿大氢强度测绘实验(CHIME)受到任何干扰。
也许普通人乍一看,CHIME似乎跟快速射电暴(FRB)毫无关联,但事实却非如此。
FRB探测小能手
在1月一个晴朗寒冷的日子里,加拿大温哥华英属哥伦比亚大学科学工程师Nikola Milutinovic站在CHIME一个百米长的凹槽型碟形天线前,寻找其反射表面的雪,这些雪通常会透过金属网,但有时也会沾在网上。
白雪覆盖的小山环绕着CHIME,并使这里不受附近城镇的手机信号塔、电视发射机,甚至微波炉的干扰。“如果你在火星上打手机,CHIME就能探测到。” Milutinovic说。
当然,CHIME的猎物既没有那么微弱,也没有那么近。该望远镜比其他领先的射电天文台更小更“简单”,也更便宜。但幸运的是,它正适合探索天文学中引人注目的谜题:来自遥远宇宙的信号——FRB。
FRB指宇宙中突然出现的无线电波短暂且猛烈释放的现象,持续时间通常只有几毫秒,却能释放出巨大能量。FRB于2007年被首次发现,是天体物理学研究中最有趣的谜团之一。FRB在天空中随处可见,然而天文学家并不能确定它们来自哪里、是什么引起的。
而且,FRB还闹过一个著名的“乌龙事件”。
21年前的一天,澳大利亚新南威尔士州的帕克斯射电望远镜(Parkes)突然接收到了一种异常强烈的无线脉冲信号。而且,自那以后,这里的科学家会陆续侦测到该信号。于是,天文学家开始对这个名为“perytons”的信号展开细致搜寻工作。
大家将目标锁定在了FRB上,自1998年以来,对perytons的搜寻工作成为该研究团队的主要任务。
在经历了多年寻找后,研究人员终于鉴别出了这些奇异信号的来源:设备休息室中的一台微波炉。
《中国科学报》曾报道称,澳大利亚墨尔本斯威本科技大学的Emily Petroff表示,由于这种脉冲信号的频率与微波炉相近,因此他们将“元凶”锁定为微波炉,但最初未能证实。
经过若干次实验后,Petroff团队发现,只有在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。
2015年发表于arXiv预印本服务器上的这份报告终于为17年的研究画上了句号:这个申请了无数经费的神秘信号perytons,其实就是微波炉。
有专家称,微波炉里的电磁波同样属于无线电信号,虽然微弱,但还是能够干扰到望远镜的正常信号采集分析。于是,就像Milutinovic介绍的,CHIME也考虑到了微波炉的影响。
数十次的“邂逅”
目前仍处于起步阶段的CHIME,因探测到多个FRB而名声大噪,这使已知的FRB总数超过60。
今年1月,CHIME在《自然》发表两篇论文,描述了发现的13个FRB,并重点介绍了其中一个代号为FRB 180814.J0422+73的重复FRB,这就是所谓的“神秘信号”。
“神秘信号”之所以引发关注,是因为它的重复特征:研究人员探测到6次重复信号,并且似乎源于同一位置。
已知的另一个重复FRB是在2012年首次出现的。它似乎起源于距离地球约25亿光年的一个星系。但这个由位于波多黎各的阿雷西博射电望远镜发现的代号为FRB 121102的重复FRB,当时并未引起如此轰动。
“到目前为止,人们只发现了一个重复FRB。而FRB 180814.J0422+73的出现意味着我们可能有机会探测到更多重复FRB和可供研究的资源,这能帮我们揭晓它们来自哪里、是什么原因造成的等谜题。”CHIME团队成员、英属哥伦比亚大学天体物理学家Ingrid Stairs告诉《中国科学报》。
此外,CHIME还探测到迄今为止已知的最低频率FRB。它的波长是400兆赫,打破了之前700兆赫的纪录。此前用其他望远镜进行的观测并没有发现这些较低波长的FRB。
温哥华市英属哥伦比亚大学天文学家Deborah Good表示,研究较低频率的FRB以及它们的辐射在到达地球的途中是如何散射的,可以揭示更多关于产生射电暴的环境的信息。
专家表示,2018年夏天,在短短3周里,CHIME总共探测到13次FRB,充分证明了这台新型望远镜的能力。与此同时,它还处于调试前阶段,仅以部分功率运行。
你从哪里来?
即便观测到多个FRB,但仍几乎没有多少理论可以解释它们。
仅仅一个瞬间,事件就结束了,也没有留下任何余辉让天文学家去研究,于是人们无法确定它们的起源。
从脉冲的性质中,研究人员可以确定的为数不多的事情之一是,它们来自银河系以外的地方。
天文学家还认为,产生FRB的物质必须足够紧凑,才能产生如此短而有力的脉冲,在遥远的距离外被观测到。因此,中子星、黑洞或者其他更奇特的东西都可能是“候选人”。
更奇怪的是,FRB可以重复出现。这种重复可能会排除爆炸、合并或其他一次性灾难性事件。
因此,科学家需要的是数量:更多FRB,尤其是更多重复FRB。
在探测到的13个FRB中,大多数都显示出“散射”的迹象,这一现象揭示了关于无线电波源周围环境的信息。CHIME团队观察到的散射量使他们得出结论,FRB的来源是高能天体,更有可能位于具有特殊特征的位置。
多伦多大学天文学家Cherry Ng说:“这可能是某种类似超新星残骸的密集星团,或者在星系中心黑洞附近。但它必须在某个特殊的地方,才能让我们看到所有的散射。”
但美国哈佛大学天文系主任Abraham Loeb在接受媒体采访时表示,目前还不能解答FRB的详细机制是什么。
回到欧肯娜根山谷,这个造型奇特的望远镜背后是一支热爱它的团队。“工作”是这里最重要的词汇之一。
“每个人都把自己的手放在这架望远镜上。”Milutinovic说。在监测电脑系统的同时,Milutinovic还跟环保工作人员一起把两只在望远镜上安家的幼鹗以及其他鸟类转移到安全地点。偶尔,他还要接待响尾蛇的拜访。
无论如何,一旦CHIME的调试阶段在今年晚些时候结束,科学家认为它每天可以发现20多个FRB。“在一年内,它将成为FRB的主要发现者。”哈佛大学天体物理学家Edo Berger说。
《中国科学报》 (2019-03-26 第8版 探索发现)