中国“天眼”揭示神秘电波爆发的物理机制

被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜FAST，其原创成果在过去一周已经两度登上国际顶尖学术期刊《自然》。

在广袤的宇宙中，经常有一束神秘无线电波袭来。虽然它仅仅闪现几个毫秒（1毫秒=1‰秒），也就是苍蝇煽动一次翅膀的时间，但它瞬间释放的能量却可以达到1038erg(尔格，能量单位），相当于地球上几百亿年总的发电量。2007年，天文学家在分析澳大利亚64米射电望远镜2001年记录的信号中首次发现了这一闪现只有几毫秒的无线电波（学名快速射电暴，简称FRB）。

不过，这一神秘电波从何而来？如此快速闪现的无线电波包含了什么信息？它会不会是外星人发来的“信号”？过去十几年，全世界各地的天文学家们一直收集信息，试图揭示其中真相。

向着科学的高峰努力攀登，如今，中国“天眼”（FAST，全称500米口径球面射电望远镜）最新的观测揭示了这一神秘电波爆发的物理机制，相关研究成果的两篇论文近日发表于国际科学期刊《自然》杂志。

二十余年铸一“锅”

它能在雷声中辨出蝉鸣

这些距离地球几亿光年之外的神秘电波，它们究竟是银河系内致密星体发出的，还是宇宙深处的剧烈爆发引起的？

2007年人类首次侦测到这一神秘电波后，经过大约十年的探寻，天文学家们收集了30多个爆发源，发现它们在天空几乎是随机分布的，因此断定这些毫秒闪现源中的绝大多数不是银河系内的天体发出的。

既然如此，它们从哪儿来？天文学家的探索在2017年有了新的进展：这一年，他们捕获了一个神秘电波，它竟然在几个小时内重复了几次。利用世界多台大射电望远镜联合探测并利用记录几毫秒的信号进行快速定位，天文学家终于将一个重复爆发的无线电波快速闪现源定位到宇宙深处30亿光年之外的一个星系里。

众所周知，天文学是极度依赖观测设备的一门科学。遗憾的是，因为没有大射电望远镜，观测的灵敏度不够，无法拿到第一手资料，中国天文学家过去在这个前沿领域，只能做理论研究。

工欲善其事必先利其器。“建造新一代射电望远镜，这是一个必须抓住的机会！”上世纪九十年代，时任北京天文台副台长的南仁东等老一辈天文学家提出建设中国“天眼”的构想。

二十余年铸一“锅”，2016年FAST竣工，无可争议地成为当今世界上最灵敏的射电望远镜：其灵敏度是目前全球第二大单口径射电望远镜的2.5倍以上，睁开“锐眼”的FAST能接收百亿光年外的电磁信号。曾有专家形象地说，“它灵敏到可以在雷声中分辨出蝉鸣。”

 

FAST立功

两大门派争锋，它一锤定音

在2019年尝试性的开放观测中，由北京大学李柯伽研究员、国家天文台韩金林研究员和美国内华达大学张冰教授领导的研究团队希望利用FAST观测一个澳大利亚2018年3月1日探测到的快速射电暴爆发源FRB 180301，看看这个源是否会重复爆发。幸运的是，2019年7月16日的2小时观测如愿探测到了4次爆发。此后，研究团队调整观测策略，在2019年10月6日和7日，FAST又在6个小时内探测到11次爆发。统计下来，在共计12个小时的观测时间里，FAST探测到15次快速射电暴闪现，每次闪现的强度曲线各不相同。

“这个爆发源与2017年发现的那个30亿光年外的爆发源距离类似、无线电爆发率类似，但强度要暗弱很多。”让中科院国家天文台研究员韩金林更兴奋的是，FAST观测的11个爆发信号中，居然有7个毫秒闪现爆发能够很好地解析出其偏振，而且这7个偏振不仅仅是变化的，还呈现出变化的多样性。如此变化的偏振在早先的重复快速射电暴中从来没有看到过。

这意味着什么？

关于快速射电暴的起源机制，此前众说纷纭：从超新星爆发到中子星合并，从黑洞吞噬星体到磁星星震等等，甚至有人还认为是外星智慧生命向地球发射的无线电信号。

“而FAST观测到的偏振变化多样性明确说明，宇宙中的快速射电暴可能来自致密星体磁层中的物理过程。”在韩金林看来，这个观测结果直接否定了一批国际学者关于快速射电暴起源于粒子冲撞的理论，为近几年致密星磁层起源和爆发物质激波撞击起源的两大门派理论争锋给出了直接裁定。

该研究成果的论文已于北京时间2020年10月29日凌晨发表于《自然》杂志。这是中国建造的射电望远镜第一次在灵敏度这个重要指标上占据了世界的制高点，它大大拓展了人类的视野，也使中国的天文学家终于有机会走到人类视界的最前沿。

另一项北京时间11月5日凌晨在线发表于《自然》的研究论文亦与快速射电暴有关。

2020年4月，北京师范大学林琳博士、北京大学张春风博士、国家天文台王培博士等联合研究团队利用FAST对银河系磁星（高度磁化的特殊中子星）软伽马重复暴源SGR J1935+2145进行了多波段联合观测。

观测结果表明高能波段的暴发与射电波段的FRB几乎没有相关性，说明磁星产生高能爆发时不能产生扫过地球的FRB。

FAST与世界上的其它望远镜也探测到了射电FRB。内华达大学教授张冰（论文通讯作者）认为，“SGR J1935的观测结果表明磁星很可能是绝大部分FRB的起源，尽管不能排除其它起源的可能。”

“目前，FAST正在对SGR J1935+2154及其他一系列FRB源展开持续监测。FAST的历史最强绝对灵敏度使其在射电瞬变源方面具有重大潜力。”在北京大学李柯伽研究员看来，FAST测量结果对研究快速射电暴的起源和物理机制，将起到重要的推动作用。

多面小能手

还能探测脉冲星、引力波

除了是快速射电暴“捕捉小能手”，FAST迄今已协助我天文学家发现脉冲星数量超过240颗。其中一颗是在球状星团M13中发现的新脉冲星，它是一个脉冲双星，也是一个典型的“黑寡妇”系统。在球状星团M92中发现的则是一个具有掩食现象的毫秒脉冲双星，这是在M92中发现的第一颗毫秒脉冲星，密近的轨道和较大的伴星质量预示着伴星的物质正在被脉冲星吸积。借助FAST的高灵敏度，伴星及其星风的遮挡带来的脉冲星信号掩食现象和伴星星风导致的脉冲星信号到达时间延迟都能被清晰观测到。具有这些特殊现象的脉冲双星在天文学中称为“红背蜘蛛”系统。该发现被美国天文学会选为亮点研究成果。

不仅如此，被寄予厚望的FAST还有另外一个重要用途：探测低频引力波。

2016年2月，LIGO合作组宣布首次直接探测到广义相对论预言已久的引力波之后，对引力波的探测已经成为天文学界的热门话题。

通过对毫秒脉冲星的长期监测，选取一定数目的毫秒脉冲星组成计时阵列，可以探测来自超大质量双黑洞等天体发出的低频引力波。李柯伽研究员说，“受益于FAST超高灵敏度，我们已经将脉冲星的测时精度提升至少一个数量级”。这有望使我们首次具备纳赫兹引力波的探测能力。

“可以说我们已经走在‘出大成果’的攀登之路上。”中国科学院院士、天体物理学家武向平表示。（经济日报经点科学工作室 沈慧）

 

 

原文标题：中国“天眼”揭开宇宙神秘电波的面纱

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责任编辑：haq