解密宇宙神秘信號FRB 中國天眼有奇招_風聞

最近，中國天眼FAST探測到了快速射電暴FRB121102大量重複爆發，其捕捉的爆發數量為目前全世界已知最多（點擊閲讀原文了解更多）。快速射電暴是目前已知宇宙中射電波段最明亮的爆發現象，那麼FAST在快速射電暴的研究上有哪些優勢呢？一起來看看吧～

FAST對FRB的研究

具有獨特的重要意義

快速射電暴起源於遙遠的星系，是射電波段最亮的信號。據估計，每天抵達地球的爆發脈衝多達幾千到上萬次，而我們對於其物理機制只有猜測，遠遠沒有定論。據FRBCAT統計，截止目前已經有近百個FRB的發現，其中10多個被認定為重複爆發的快速射電暴。FAST視場相對較小，在發現新的FRB上和大視場望遠鏡如CHIME比，不佔優勢。但是它的靈敏度極高，對FRB的研究具有重大意義。FAST是理想的重複暴觀測設備， 可以得到全世界最好的爆發信噪比及爆發率統計數據。此外，FAST將有可能探測到宇宙中最遙遠的FRB。幾天以來，我們已經探測到數百次的重複爆發，是已知最多的。目前仍在數據處理中。

FAST FRB 終端：

Building telescope is a game of shrinking dream

本次快速射電暴的爆發首先由 FAST快速射電暴實時探測終端（FAST FRB 終端） 實時捕捉並預警。望遠鏡終端設備的建設是一個打怪升級的過程。從想法、設計和仿真到樣機，從樣機到可以測試使用的設備，從可以自己使用操作到可以供全世界天文學家觀測使用的常規設備。每一步，都不容易。

Lorimer博士在處理大麥哲倫星雲脈衝星巡天數據的時候，發現了第一個快速射電暴（圖1）。其亮度驚人，在多個不同指向的波束中看到，相當比例的數據已經飽和。直到今天，人類也不確切知道其真實亮度。由於只有一次探測，很難確認其真實性和起源。在2007年發表於《科學》雜誌之後，被稱為“Lorimer Burst", 但是受到普遍懷疑，特別是澳大利亞天文台的微波爐也被發現有生成脈衝特徵信號的能力。直到2013年Thornton等人認證了其他四個爆發，這種現象才被稱作快速射電暴，開啓了目前最為熱門的一個天文子領域。

圖1：由Duncan Lorimer發現的第一個快速射電暴FRB 010724 （Lorimer et al. 2007, Science, 318, 777L）

快速射電暴領域興起時，FAST早已設計完成，開工都已經兩年多了。大型設備的升級總是複雜、系統的挑戰。2015年，我們與國際射電望遠鏡終端合作開發平台CASPER的創始人伯克利Werthimer教授進行了詳細的探討，確定了拓展19波束終端，建設實時探測、觸發原始數據存儲的FRB終端的方案。2016年，受中國科學院天文大科學中心邀請，西弗吉尼亞大學Lorimer教授和伯克利大學Heiles教授到FAST工程現場合作，進一步討論了終端建設、偏振調試等等技術方案。

圖2：右起依次為Duncan Lorimer, Carl Heiles, 蔡肇偉，李菂。攝於2016年12月。

FAST FRB 終端建設團隊需要電子工程等工程學背景的人才，而工程技術人才職業發展的選擇非常多，天文領域的待遇並不高。為了吸引學生加入團隊，段然博士用其導師Sandy Weinreb的親身經歷鼓勵大家。Weinreb是電子工程的博士，發明了世界第一台digital auto-correlator, 在射電波段首次發現星際分子羥基（OH)。他的數字相關機技術，現在應用於全世界幾乎所有的主要望遠鏡 。Weinreb博士在2008年獲得射電天文大獎the Grote Reber Medal。

圖3：射電天文第一個星際分子發現（左）及第一台數字相關機（Weinreb et al. 1963 Nature)。

“自古偉大的天文學家，不都是自己造望遠鏡的麼？我們非常幸運，可以參與到FAST望遠鏡的建設裏來，很多人一輩子都趕不上”。後端團隊最愛説的一句話是“Building telescope is a game of shrinking dreams"。這是一支心懷夢想，堅韌不拔的小團隊。

圖4：2015年團隊成員在實驗室調試

2015年， 團隊成員在實驗室調試終端設備（上圖）。

圖5：2016年臨時終端室調試（上）、2017年終端室調試（中）、在FAST現場組織FRB終端技術研討下）

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2016年的FAST現場遠不像現在這麼漂亮。當時還是碩士研究生的張馨心用泡沫塑料做椅子，用UPS電源箱做桌子**（危險勿仿）**，堅持完成調試工作。作為駐守在現場最久的終端建設人員，張馨心至今仍每年超過200天在FAST現場度過。臨時終端室地板是臨時搭建的，容易踩空，團隊成員還曾掉下去過，好在沒有受重傷。2017年，FAST現場指揮部建設完成，終端設備搬進了終端室，再也不用擔心地板不穩掉下去了。

2018年9月，在FAST現場，我們組織合作成員UC Berkeley, 北師大，新疆台的團隊，技術攻關和初步測試。

FAST FRB終端：

一根敏感的脈衝視神經

我們利用FRB終端試觀測已知脈衝星，測試信號捕捉能力和基本指向對應。我們利用人為發射單脈衝信號，來校準FRB終端，調整觸發的閾值。結合已知脈衝星的實測數據， 調節FRB終端針對信號變化的屬性。

圖6：FAST FRB終端針對已知脈衝星（左）和人工生成脈衝（右）的測試。

最近的幾個月，我們持續的對重複快速射電暴進行跟蹤觀測， 同時也在漂移掃描的時候並行監測。

2019年8月10日，FRB 終端在漂移掃描時，發現一顆新的脈衝星。在運行啓動很短的時間內就有新脈衝星的發現，驗證了FRB終端高效和強悍的脈衝捕捉能力。

圖7：FAST FRB終端實時捕捉的一顆新的脈衝星信號

北京時間8月30日凌晨，FAST FRB終端實時捕捉FRB121102爆發，記錄了原始數據並預警。碩士畢業後繼續留在團組工作的助理工程師張馨心當天在FAST現場操作FRB 終端觀測，邊觀測邊實時檢索候選體圖片，發現持續的DM在500-600之間的單脈衝爆發。這在對FRB121102之前的跟蹤觀測中，並未見到。我們意識到可能是真實爆發，並迅速通知相關人員。FAST工程調試團隊第一時間做出了響應，調整觀測計劃，安排補充凌晨的時間跟蹤觀測FRB121102。

圖8：FAST FRB 終端實時捕捉的FRB121102的爆發信號之一。

FAST FRB 終端系統具有高效的實時脈衝捕捉能力，可以和大部分觀測任務並行觀測。好似給天眼裝了一根敏感的視神經，只要是有脈衝，不管是快速射電暴還是新的脈衝星，都可以實時察覺並迅速反映。

關於FRB的可能解釋和模型

FRB領域的發展軌跡很像“伽馬射線暴”領域的早期。人類從發現“伽馬射線暴”到達成普遍接受的合理解釋經過了幾十年。射電望遠鏡技術的發展，和預計中的大量可探測的FRB事件，使我們有理由相信FRB的起源會被更快的揭示。

據不完全統計，目前關於FRB起源的模型有數十種。這些模型分為可重複的（解釋重複暴）和災變性的（解釋不重複暴）。重複暴的可能起源包括脈衝星的巨脈衝，星際及星系間介質的放大作用，磁星爆發或同步脈澤輻射，中子星磁層與臨近天體相互作用，小行星撞中子星等。災變性FRB的起源模型包括超大質量中子星坍縮，雙中子星併合，黑洞併合，宇宙弦釋放能量等。目前觀測限制極度缺乏。甚至有文章討論FRB來源於地外智慧生命的可能性。這不是本文作者的觀點，但反應了FRB帶來的我們對已知的未知和未知的未知的探索追求。

探索未知的好奇心是基礎科學的原動力。一半的天文發現是“happy accident”, 包括宇宙微波背景輻射，加速膨脹的宇宙, 脈衝星, 伽馬射線暴，和現在的FRB等等。阿雷西博望遠鏡建設在脈衝星發現之前。而阿雷西博脈衝星的觀測成果證實了引力波的存在，獲得1993年諾貝爾物理學獎。讓我們保持一個好奇的，開放的心態，期待FAST和人類的更多發現。

FAST FRB 後續期待

憑藉FAST極高的靈敏度和FRB終端高效的捕捉能力，我們相信，FAST不僅在重複暴的監測上將持續發揮作用， 我們將會在FRB領域有持續的新發現，請大家拭目以待。

作者簡介

段然，博士畢業於加州理工大學Caltech 電子工程系，負責FAST FRB 終端和CRANE 終端平台建設。曾負責CSO，SPIDER, CCAT等望遠鏡信號處理系統設計/建設和亞毫米波器件設計。

李菂，國家天文台研究員，FAST FRB 終端項目PI。