FAST捕獲3例新的高色散快速射電暴_風聞

近期，國家天文台李菂、朱煒瑋團組的牛晨輝博士在FAST海量數據中搜尋出3例新的高色散快速射電暴（Fast Radio Burst，英文縮寫FRB），結合2020年發表的FAST首例新FRB發現，這些發現預示了在FAST高靈敏度下每天可探測的FRB多達12萬個，將有效擴展FRB樣本的紅移-亮度覆蓋區域，有助於理解宇宙物質構成並約束FRB本徵光度函數。

FAST是目前世界上靈敏度最高的單口徑射電望遠鏡，本次搜尋數據來自於FAST優先和重大項目“多科學目標漂移掃描巡天（CRAFTS）”。該工作得到中國科學院天文大科學研究中心FAST FELLOWSHIP的支持，並已被《美國天體物理雜誌快報》(ApJL)接收。

（預印本見http://arxiv.org/abs/2102.10546）

圖1.“多科學目標漂移掃描巡天”新發現的3例快速射電暴（圖源：作者）

 圖2. FRB樣本的能量和宇宙年齡（圖源：作者）

快速射電暴是一種持續約千分之幾秒的神秘宇宙射電信號。一次FRB的爆發雖然短促，卻藴含了太陽輻射1天甚至1年的能量。FRB宇宙學起源的確認至今不到5年，藴含了推動天體物理研究的巨大潛力，是目前觀測天文學領域主要的熱點前沿。

今天就讓我們一起來回顧這一段天文學家的探索發現之旅。

· 文科生****與理科生的天空

宇宙，天空……這些詞在文科生的語境裏多是深邃、神秘、無窮盡的意味。這既是物理的天空，也是哲學的天空。這既可以用來寄託，也可用來45度角仰望。

實際上，20世紀中期以前，理科生的天空也多是如此波瀾不驚。雖有“至和元年五月己丑出天關東南”的超新星；“武王伐紂，東面而迎歲，至汜而水，至共頭而墜，彗星出，而授殷人其柄”的彗星；“夜有流星墜營中，晝有云如壞山，當營而隕，不及地尺而然，吏士皆厭伏。”的隕石等異象，但總體而言，這些變化的天空，並不常見，是為‘異’，於是便被賦予王朝興沒，或天降大神的種種昭示。

20世紀中期以來，特別是美蘇冷戰帶動的全球博弈，使得原本小眾的天文觀測成為通過科技競賽展開的國力競爭的重要一環。大量尖端技術被轉化，應用到深空探測，在科技大眾注視下的天空，漸漸聒噪起來。

****·伽馬暴的頑童梗

上世紀60年代，美國用於監測大氣層核爆的軍用系列衞星“船帆座”（Vela），探測到來自宇宙的伽馬射線爆發。這些結果在1973年首次解密得到公開發表，這開創了天文學中一個高速發展的新領域“伽馬射線暴”。

由於高能設備成像能力弱，定位能力普遍較差，伽馬暴起源研究最開始的核心爭論是，它是否來自銀河系以外。90年代中期，通過對伽馬暴事件的迅速跟進，設備捕捉到其光學餘暉，進而確定了伽馬暴來自具有宇宙學紅移的河外星系。這一成果確定了伽馬暴距離地球非常遙遠，是宇宙中已知最劇烈的電磁爆發。

隨後，多波段的詳盡觀測改變了這一切，原本數以百計豐富多彩的伽馬暴起源模型逐漸收斂到寥寥幾個，且大多與大質量恆星死亡和緻密星演化相關。90年代中期，康奈爾大學天文系一次介紹最新伽馬暴餘暉觀測突破的邀請報告上，天文觀測家這樣打趣理論家：“理論家是頑童。富有想象力，擅長胡思亂想。實驗家是科學裏的成年人，提供限制條件。”

圖3.郵票中的VELA衞星觀測到強烈短暫的伽瑪射線輻射，這些衞星是專門用來觀測蘇聯可能在地球大氣層進行核試驗時產生的伽瑪射線信號（圖源：SVOM）

****·第一顆毫秒脈衝星B1937+21，阿雷西博的里程碑

現有最靈敏的空間設備，一年可探測到數百次伽馬射線暴。而宇宙中存在着另一種頻繁出現的極端脈衝：快速射電暴卻讓人摸不到頭腦。快速射電暴出現在射頻波段觀測，一次FRB的爆發只持續千分之幾秒，卻藴含了太陽輻射1天甚至1年的能量。這些能量可以被平平無奇的小型射電天線探測，天線口徑只需10米級甚至更小，每天到達地球的快速射電暴數量成千上萬，這樣算來，快速射電暴應該早已被人類探測到。然而，這個頻段卻充斥着手機、藍牙、WI-FI聒噪信號，雖然人類早就擁有了探測它的技術和設備，卻在2007年FRB才被發現，2013年才被確認——宇宙的精彩變化，依然遠遠超出了21世紀人類的想象。

**快速射電暴的發現團隊和觀測技術完全來自脈衝星領域。**脈衝星，特別是毫秒脈衝星發射特徵時長為千分之一秒量級的短脈衝，並且具有嚴格的週期性。第一顆毫秒脈衝星B1937+21在1982年由庫爾卡尼（S.Kulktarni）利用當時世界最大口徑的阿雷西博望遠鏡發現。

**亳秒脈衝星的發現不僅揭示了一條脈衝星演化的新路徑，也為實現銀河尺度上的精確測時開開闢了道路。**毫秒脈衝星自轉快速且穩定，精度堪比原子鐘。太陽系外類地行星的發現獲得了2019年諾貝爾物理學獎，而這一領域的開篇之作，即第一顆系外行星的發現，便是通過精確測量毫秒脈衝星信號到達時間分析其殘差的規律完成的。雖然行星的質量遠小於其繞轉的脈衝星或中子星，這種效應在時間上並不如想象中那般微弱。

圖4. 第一顆毫秒脈衝星B1937+21的相位-頻率圖（圖源：作者）

****·系外行星PSR1820-10消失

****·系外行星PSR1257+12成為人類知道的第一個系外行星系統

1991年7月，貝爾斯（Matthew Bailes）和萊恩（Andrew Lyne）等人在《自然》雜誌發表了第一例可能的系外行星探測。但在隨後的美國天文學年會上，萊恩宣佈在重新修正脈衝星位置以後，系外行星PSR1820-10週期為半年的信號沒有了。第一顆系外行星的發現不成立。他們儘快公佈了修正的結果並對同行表示歉意。這種嚴謹和誠懇的態度受到普遍的肯定。然而，就在同一個會場，原籍波蘭的美國天文學家沃爾茨坎（Aleksander Wolszczan）又發言説，“順便告訴大家，我也找到一個系外行星候選體，希望這個是真的！”

沃爾茨坎和弗雷爾（Frail）通過對毫秒脈衝星PSR1257+12的精確計時，找到兩個接近地球質量的行星圍繞其轉動，週期分別為66.5天和98.2天，明顯區別於地球的公轉週期。這項成果在1992年的《自然》雜誌發表後，他們又在1994年《科學》雜誌發表了同一系統中的第三顆系外行星。

PSR1257+12是人類知道的第一個系外行星系統。也是迄今為止3000多個脈衝星周圍唯一一個探測到行星的例子。

圖5.天體物理學家貝爾斯錯失了第一顆太陽系外行星的發現（圖源：wiki）

圖6.波蘭裔美國天文學家沃爾茨坎成為第一位發現太陽系外行星的人（圖源：Poland）

****·奇怪的東西，洛裏默暴

十幾年後，錯失了發現第一顆太陽系外行星機會的貝爾斯已經是澳大利亞斯威本大學的教授。一天他跑去關心他的同門師弟，洛裏默（Duncan Lorimer）博士後，“最近看到什麼有趣的東西？”洛裏默面有難色：“這個嘛，有一個奇怪的東西。”

洛裏默從麥克勞林那裏掌握了單脈衝搜索，作為一種開心的嘗試，仔細搜索了帕克斯望遠鏡數據，在大麥哲倫星雲的邊緣方向，發現了一個超亮的超高色散的脈衝。

幸運的是，帕克斯望遠鏡裝備了多波束設備，也就是説在同一時間有來自相近天空方向的多位置採樣的數據。由於在不同波束看到同樣特徵的信號，並且其相對強度與望遠鏡波束形狀大致吻合，使得洛裏默有更多的信心：這是一個來自天空的信號。

但這個信號在至少一個波束飽和了，所以並不能精確確定流量，並且這個信號再也沒有重現過。一個令設備飽和的超高色散脈衝，如果是真實的，必然是來自遙遠空間的本徵亮度極高的宇宙爆發。

圖7.一個來自近鄰矮星系M33方向的單脈衝候選體，取自McLaughlin & Cordes （2003），這有可能是人類第一次看到快速射電暴（圖源：作者）

雖然洛裏默繼續為難，雖然PSR1820-10消失的行星依然是個警示，貝爾斯還是建議他發表這個信號。在他們2007年《科學》雜誌上的著名發現文章中，富有遠見的指出，“類似的信號可能每天上百次出現。如果測量到，將成為宇宙探針”。這個信號被稱為“洛裏默暴（Lorimer Burst）”。

圖8.快速射電爆的發現者之一，天體物理學家洛裏默。第一個被認證的快速射電爆便被稱為“洛裏默暴”（圖源：作者）

圖9.2017年10月攝於筆者FAST現場辦公室。喝咖啡的各位分別為W. Coles(右一) J. Cordes(右二) G. Hobbs(右四) C. Heiles(左一)（圖源：作者）

****·反轉：微波爐的壞消息

壞消息馬上就來了。微波爐被查出來也可能產生類似色散的特徵。這讓學界加深了對“洛裏默暴”這一孤證結果的懷疑。2010年， 麥克勞林和洛裏默都已經是西弗吉尼亞大學的教授。恰在此時，麥克勞林和她的學生合作完成了一篇文章，論述洛裏默暴不太可能是銀河系外起源。“連家人都不相信自己，” 洛裏默在國家天文台報告時回憶“這真是我的至暗時刻。”

但同時，貝爾斯對這個結果卻保有信心，有所作為——上帝還能玩上癮了不成？他和伯克利的丹·維爾海默（Dan Werthimer）合作，開發了更適合捕捉這鐘轉瞬即逝的脈衝的數字終端。同時推動系統檢索帕克斯望遠鏡的脈衝星巡天數據。2013年，在帕克斯HTRU巡天數據中發現了4個爆發，首次以“宇宙距離上的快速射電暴”之名發表在《科學》雜誌。洛裏默暴從此也被稱作FRB 010724, 而“快速射電暴”這個新稱謂也使新領域開始起飛。

圖10.伽馬射線暴和快速射電暴發現之後論文量和引用量變化曲線（圖源：作者）

****·賭局

阿雷西博望遠鏡的一生中，寫滿了歷史性成果，儘管2000年以後，它的脈衝星搜索效果遠低於預期。但是，巨人就是巨人。

圖11.阿雷西博望遠鏡的信號接收平台支撐塔尖折斷，整個平台掉落在鏡面上，使得望遠鏡自身全毀（圖源：Ricardo Arduengo）

2015年，P-ALFA項目觀測中發現了FRB121102，並且確認其為第一個重複快速射電暴。這是個劃時代的發現，本身説明快速射電暴是一個可能重複的現象。更為重要的是這就給了確認對應體的努力一個守株待兔的機會。2015年丹·維爾海默來國家天文台訪問。我説FAST將要有19波束，我們可以通過電壓捕捉，對來自FRB121102的超亮脈衝實現超過FAST衍射極限的定位。丹·維爾海默説：“原理可以。但是我跟你打賭，FRB121102的定位會在FAST成功運行之前就完成。”

預言實現得很快。康奈爾大學的查特吉（Shami Chatterjee）和NRAO的合作者提高了JVLA的時域採樣率，反覆監測FRB121102。而這個重複暴似乎帶有‘季節性’，也就是狂躁的時候非常活躍，然後就是數月的沉寂。在最初數百小時一無所獲之後，FRB121102終於活躍起來。VLA一舉把位置精度從角分提高到角秒，使得後續認證成為可能。澳大利亞的光學望遠鏡隨後測量了宿主星系的紅移，歐洲甚長基線干涉網進一步將定位精度提高到毫角秒，並且看到宿主星系中持續連續譜源的位置和FRB爆發位置存在可能的分離。這一結果發表在2017年《自然》雜誌封面。

圖12.快速射電爆FRB121102的觀測數據（圖源：作者）

從2003年的河外單脈衝跡象，到2007年是洛裏默暴，再到2013年確認存在快速射電暴的樣本，直至2017年才真正確認了快速射電暴的宇宙學起源。

2020年12月1日，射電天文學家熟悉並熱愛的阿雷西博望遠鏡坍塌了。FAST沒能在第一時間參與快速射電暴的遊戲，但是從來沒有停止建設相關能力，也從未放棄與其它項目一較短長的雄心。2019年8月，FAST的快速射電暴終端捕捉到FRB121102脈衝，並通過《天文電報》提醒了同行其活躍期的到來。2020年FAST在快速射電暴方向產生了兩篇《自然》雜誌論文。

圖13.FAST發現的第一個FRB。在藍色區域內的微弱曲線，就是脈衝穿過星際和星系際空間，與電子相互做用產生的色散特徵（圖源：朱煒瑋）

圖14.2019年，FAST捕捉到來自第一個重複暴FRB121102的脈衝。圖中脈衝為FAST真實數據，左上為哈勃望遠鏡圖像，紅圈中為其宿主星系（圖源：作者）

一切，才剛剛開始。

▶️ 欲瞭解更多，請查閲科普期刊《中國國家天文》2021年第1期，李菂、王培的文章《聒噪宇宙》

作者簡介

**李菂，**射電天文學者，發現了包括分子氧氣在內數種新星際分子，任FAST首席科學家，任突破基金會聆聽計劃指導委員（Breakthrough Listen Initiative Advisory Committee），（曾）任平方公里陣（SKA）生命搖籃科學工作組組長。

**王培，**國家天文台助理研究員，從事FAST-CRAFTS巡天的脈衝星和快速射電暴搜索與研究，搭建FAST脈衝星搜索數據庫，發現首顆FAST毫秒脈衝星。