夜晚的闪光：快速射电暴之谜

2007年初的一天，本科生大卫·纳克维奇带着一些消息来找我们。 他是西弗吉尼亚大学的物理专业学生，我们两人当时刚刚开始在那里担任助理教授的第一年。 我们给他的任务是检查麦哲伦星云的档案观测资料——麦哲伦星云是银河系的小卫星星系，距离地球约20万光年。 纳克维奇的性格很含蓄，那天也不例外。 “我发现了一些看起来很有趣的东西，”他漫不经心地说道，举起一张信号图，该信号比望远镜电子设备的背景噪声强100多倍。 起初，看起来他已经找到了我们正在寻找的东西：一种非常小、非常明亮的恒星，被称为脉冲星。

这些致密、带磁性的恒星会射出光束，并在旋转时扫过周围，使恒星看起来像灯塔一样“脉冲”闪烁。 天文学家当时知道近2000颗脉冲星，我们正在领导寻找遥远且特别明亮的脉冲星。 这项搜索依赖于我们其中一人（麦克劳克林）和她的研究生导师最近开发的软件，用于搜索无线电观测中的单个脉冲。 该代码必须考虑到一种称为脉冲色散的效应，其工作原理如下：当无线电波穿过太空时，星际介质中漂浮的自由电子会像棱镜散射光一样散射无线电波。 自由电子充当等离子体，较高频率的无线电波穿过等离子体传播速度更快，并且比低频率的无线电波更早到达望远镜。 源离地球越远，无线电波在其旅程中遇到的电子就越多，从而导致高频和低频无线电波之间的时间延迟更大。 因为我们不知道任何新脉冲星可能有多远，所以该软件扫描数据以寻找可能符合许多不同可能色散量（称为色散量或DM）的信号，以便我们可以确保捕获各种可能距离的脉冲星。

在纳克维奇发现时，他正在分析澳大利亚帕克斯射电望远镜五年前的观测数据，该望远镜可以通过一次观测天空中13个位置（称为波束）来快速扫描大面积区域。 他目视检查了软件检测到的信号，以剔除超过99%的噪声或人为干扰。 他发现的信号令人费解，不仅因为它如此明亮，而且因为它来自小麦哲伦星云以南几度的天空区域，在那里我们不会期望有任何与矮星系相关的脉冲星。 最令人惊讶的是，该信号具有非常高的DM——比我们预期的银河系中的任何东西高出许多倍，甚至比我们预期的与小麦哲伦星云相关的DM高出50%。 这表明该源大约在30亿光年之外，远远超出了我们本星系群的范围。

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如果爆发真的来自如此遥远的地方，那么它一定是恐龙在地球上漫游之前发出的。 光的有限速度和信号的短持续时间告诉我们，它的来源不可能大于10光毫秒，或约3000公里——远小于太阳140万公里的直径。 虽然脉冲星可以符合这个尺寸限制，但它释放的能量将超过太阳一个月释放的能量，并且超过最亮脉冲星脉冲的十亿倍。

什么样的物体会造成如此壮观的景象？ 我们的首要任务是确定脉冲是否可能是人为干扰产生的。 与脉冲星的闪光不同，这个脉冲似乎没有重复； 在大约两小时的观测中，我们只发现了一个脉冲。 然而，更仔细的检查表明，脉冲的各种频率的到达时间完全遵循星际色散的预期模式，这对于干扰来说是非常不可能的巧合。 证明这种爆发是天体物理而非人为无线电信号的另一个证据是，它似乎起源于天空中的一个点。 它在13个帕克斯接收器波束中的一个波束中显示最亮，而在其他三个波束中检测到它更微弱——这正是我们对天体信号的预期。 相比之下，附近的人为干扰通常会出现在所有13个波束中。

看来纳克维奇实际上偶然发现了一些全新的东西——一种宇宙信号，它将占据我们越来越多的研究重点，并困扰整个天文学界。 我们认为，这种奇怪的信号可能不是同类信号中的唯一一个。 根据帕克斯观测的持续时间和视场，我们估计每天可能有数百个如此明亮的无线电爆发在整个天空中发生，而未被注意到。 2007年晚些时候，我们发表了一篇论文，假设该事件是一种起源不明的新型无线电源的原型。 我们推测，如果我们能够识别和理解它们，我们不仅可以了解一种新型的宇宙事件，而且我们可以通过色散测量来估计它们的距离，并利用它们来完成像绘制宇宙的大尺度结构这样宏伟的事情。 但首先我们必须证明爆发是真实的——这是一场将经历许多令人惊讶的转折并且几乎以撤退告终的探索。

真相还是虚构？

起初，其他研究人员对我们的发现——很快被昵称为“洛里默爆发”——感到好奇，并开始提出关于其起源的解释，并寻找更多类似的爆发。

在我们的发现之后不久，斯威本科技大学（位于墨尔本）的马修·拜尔斯，也是我们发现论文的合著者之一，使用帕克斯望远镜对洛里默爆发的天空区域进行了90小时的观测。 但他没有发现任何其他闪光的证据。 这种后续观测必然发生在显示原始爆发的档案观测六年之后，因此它并没有排除在原始观测附近数小时甚至数年的时间尺度上多次爆发的可能性。

因此，拜尔斯和他的当时的博士生莎拉·伯克-斯波拉尔使用来自帕克斯的更多档案数据，但在天空的不同区域进行了另一次搜索。 在2010年发表的一篇论文中，他们报告发现了16个事件，这些事件与洛里默爆发有许多共同特征。 事实上，有些事件具有几乎相同的DM以及相似的持续时间和脉冲形状。 然而，有一个显着的差异：每个新发现的爆发都出现在帕克斯接收器的所有13个波束中，这强烈表明它们不可能与太空中的某个源相关联。 相反，它们一定起源于地面或大气层——例如，闪电。 为了识别这些来源的伪装性质，伯克-斯波拉尔和拜尔斯将它们称为“佩里顿”，以神话中投射人类阴影的有翼雄鹿命名。

佩里顿的发现使许多科学家对洛里默爆发持怀疑态度。 随着进一步的无线电巡天未能捕获到任何其他爆发，大多数天文学家开始怀疑洛里默爆发也是一个佩里顿。 推测信号性质的论文数量开始减少。 在2011年的一次会议上，甚至有人举手表决，看看有多少观众相信洛里默爆发是真实的。 我们其中一人（洛里默）坐在前排，不敢回头看其余的观众，看看投票结果！

在最初探测到四年后，麦克劳克林与一位博士后和一位本科生一起，在一个大型无线电脉冲星巡天中搜索了更多的爆发。 在没有发现任何其他类似事件后，甚至她也开始怀疑洛里默爆发。 事实上，她和她的合作者写了一篇论文，声称它不太可能是天体物理的——这个结论现在让人感到尴尬。

但在此时，该领域得到了惊人的重振。 第一个有希望的事件发生在2012年，当时现在位于英格兰曼彻斯特平方公里阵列组织的埃文·基恩偶然发现了帕克斯档案数据中的另一次高度色散爆发。 与此同时，拜尔斯一直在领导一项工作，该工作用最先进的数字仪器升级了帕克斯望远镜，为高度色散爆发提供了前所未有的灵敏度。 他的热情得到了回报：2013年，研究人员在新的帕克斯巡天中发现了另外四次具有各种各样DM的爆发。 在讨论这项巡天的第一批结果的论文中，由当时的博士生丹·桑顿（当时在曼彻斯特大学）领导，科学家们将这些事件描述为快速射电暴（FRB），以纪念它们的短持续时间。 至关重要的是，与佩里顿不同，这四次爆发仅在一个波束中被检测到，这使它们与天文起源而非地球干扰相符。

随着这些发现，快速射电暴的天体物理性质变得越来越确定。 然后，在2015年，当时在斯威本的艾米丽·彼得罗夫和她的同事发表的一篇论文中，以一种救赎和幽默的方式表明，帕克斯佩里顿主要发生在午餐时间左右，当时不耐烦的天文学家在微波炉完全关闭之前就打开了它。 令人欣慰的是，洛里默爆发和其他快速射电暴的发生时间都没有与饥饿的科学家的午餐习惯重叠。

重复闪烁

很快，由于越来越多的研究人员在许多望远镜上进行的专门搜索，更多的快速射电暴观测开始涌现。 西弗吉尼亚州的绿岸望远镜在无线电频谱的不同频率范围内捕获到一个快速射电暴，与洛里默爆发不同，这提供了更多证据表明该爆发是真实的，而不是某些调谐到原始频段的接收器的特殊性造成的。

2016年，剧情变得更加复杂，当时由德国波恩的马克斯·普朗克射电天文研究所的劳拉·斯皮特勒领导的一个团队报告称，他们探测到来自一次爆发的重复闪烁，该爆发最初是在2012年在波多黎各的阿雷西博天文台获取的数据中看到的。 在此之前，天文学家通常认为这些是一次性事件。 但在最初的发现（称为FRB 121102）大约三年后，斯皮特勒和她的同事看到了另外10次爆发。 这些爆发的到达时间似乎不是周期性的，并且无线电脉冲的精确持续时间和其他特征各不相同。

这一发现引发了全球范围内使用射电望远镜进行后续观测的多项活动。 其中一项活动使用了位于新墨西哥州的甚大阵列（VLA），这是一个由27个射电天线串联观测的集合，定期在与FRB 121102相同的天空区域搜索毫秒时间尺度的事件。 这项巡天具有独特的能力，可以比单个射电天线精确几个数量级地精确定位无线电爆发在天空中的位置。 经过大约六个月的观测，由康奈尔大学的沙米·查特吉领导的团队发现并定位了一次爆发。 很快，通过甚长基线干涉测量技术，对这个快速射电暴进行了更精确的定位，该技术将来自世界各地多个望远镜的信号组合起来，合成了更大的虚拟望远镜，在天空中具有极高的分辨率。 由荷兰联合VLBI ERIC研究所（JIVE）的贝尼托·马科特和他的同事领导的这项发现，将来自FRB 121102的重复爆发精确定位在小于一角秒（1度的1/3600）的不确定度范围内。

这是天文学家首次在天空中为快速射电暴找到如此精确的位置——这随后使科学家能够找到爆发的源星系。 由麦吉尔大学的什里哈什·滕杜尔卡领导的一个团队将FRB 121102追溯到一个矮星系，该星系的质量大约是银河系的2万分之一，并且距离比已知最遥远的脉冲星远约2万倍。 这些发现比以往任何时候都更坚定地确立了快速射电暴是强大且极其遥远的现象。

寻找来源

到目前为止，我们已经确定快速射电暴是真实的宇宙现象，但要弄清楚是什么原因导致了它们，我们还有很长的路要走。

一个主要问题是，这些爆发是起源于一次性事件（如超新星）还是来自持久性物体，如周期性发射明亮闪光的脉冲星。 重复爆发FRB 121102的案例表明是后者。 虽然它是天文学家迄今为止检测到多次爆发的唯一快速射电暴，但所有快速射电暴都可能重复，并且从其他快速射电暴中看到的孤立爆发代表了能量分布中最亮的爆发。 在这种情况下，我们将排除单次事件，并寻找持久的宇宙源。

在这个类别中，许多科学家赞成涉及致密星（如脉冲星）的解释。 这些物体是在一颗大恒星在超新星中死亡，并且其大部分质量向自身坍缩时产生的。 这种奇异物体的密度变得如此之大，以至于即使原子也无法承受挤压，它们的质子和电子挤压在一起变成中子。 最终产物是一颗宽度与曼哈顿相当，几乎完全由中子组成的恒星，称为中子星。 这些恒星旋转速度极快，并从两极发出光线。 我们一直在讨论的脉冲星发生在这些光束指向地球时，我们看到光线脉冲闪烁。 从FRB 121102看到的重复爆发具有与年轻中子星发出的极高能量脉冲大致一致的特性。 因此，快速射电暴最终可能毕竟只是脉冲星——尽管是一种罕见且特别强大的形式。

一个密切相关的想法是，快速射电暴可能来自所谓的磁星：高度磁化的、缓慢旋转的中子星，其发射由它们的磁能而不是它们的旋转驱动。 VLA对FRB 121102的观测中一个有趣的方面是在宿主星系中存在持续的明亮无线电光，这与快速射电暴爆发不同。 天文学家推测，这种无线电光是一个活跃的星系核——一个正在吞噬恒星和气体的超大质量黑洞——而快速射电暴是由磁星和这个星系核之间的相互作用产生的。

这个想法的一个变体是，重复爆发来自磁星，但该磁星被埋在几十年前发生的超亮超新星（能量约为典型超新星的10倍）爆炸的致密残骸中。 一组研究人员注意到，FRB 121102的宿主星系与那些容纳被称为伽马射线暴的现象的星系相似，而伽马射线暴被认为与超亮超新星期间形成的极年轻的磁星有关。 最近，该团队测量了沿FRB 121102视线方向的磁场。 这些观测表明，无论其来源如何，FRB 121102都必须位于相对高度磁化的区域，例如致密的超新星遗迹中或星系核心的超大质量黑洞周围。

但我们还不能排除一次性事件。 也许有些爆发会重复，而有些则不会，这表明不同的快速射电暴有各种各样的起源来源。 事实上，一项由当时在内华达大学拉斯维加斯分校的迪维亚·帕拉尼斯瓦米领导的新研究表明，如果所有快速射电暴都以FRB 121102中观察到的速率重复，那么我们应该在其他几种情况下看到多次事件。 因此，考虑某些快速射电暴起源于一次性灾难性事件可能更合理。 这给我们留下了一些候选来源。

首当其冲的是两颗中子星的碰撞。 这种碰撞可能会在两颗致密星合并形成一个巨大的黑洞时释放出强大的冲击波。 一次性事件的第二个可能性是特别高能量的超新星的爆发。

理论家们也提出了更奇特的建议。 其中之一是宇宙弦的想法——理论上认为是在早期宇宙中形成的太空和时间的拓扑缺陷。 这些扭曲会以光速穿过宇宙，当时的宇宙充满了热等离子体，并在与等离子体相互作用时产生火花。 尽管目前的观测并未排除这些火花是快速射电暴的理论，但这仍然是高度推测性的。 科学家们还指出了所谓的原始黑洞——宇宙诞生时产生的小黑洞，迄今为止尚未被探测到。 如果这些原始黑洞之一自发蒸发，它可能会释放出可能与快速射电暴信号匹配的辐射。 如果这些想法中的任何一个被证明是正确的，那么洛里默爆发将是这些奇异现象的第一个观测证据。

绘制天空地图

经过十年的工作，由于新的和升级的望远镜，快速射电暴科学领域现在已准备好进入变革阶段。 广视场的澳大利亚平方公里阵列探路者望远镜于2012年开放，并很快开始发现快速射电暴。 截至撰写本文时，已知有50次爆发。 现有的设施，如VLA和悉尼大学的莫隆洛射电望远镜正在进行翻新，以大大提高灵敏度和天空覆盖范围。 即将上线的新的和改进的射电望远镜设施——加拿大氢强度测绘实验和中国的五百米口径球面射电望远镜（FAST）等——应显着增加我们的快速射电暴样本，并提供对源种群的更好理解。

一些新型望远镜可以实时以角秒精度定位快速射电暴，从而大大增强了我们在天空中定位它们的能力。 这种位置信息使我们能够快速跟进其他波长的观测，以搜索爆发的宿主星系。 更令人兴奋的是，一些快速射电暴模型，如中子星合并，预测它们也应该释放引力波。

令人惊讶的是，天文学家现在可以在激光干涉引力波天文台（LIGO）探测到时空中的这些涟漪，该天文台在2015年首次获得了诺贝尔奖级别的引力波发现。 借助这项新技术，现在有可能联合探测来自这些来源的光和引力波。 这样的探测将允许测量快速射电暴的特性——例如爆发源的质量——这些特性通过其他方式是根本无法获得的。 我们预计很快将在发现和理解这些宇宙信使方面取得重大进展。

如果我们真的能够解开快速射电暴的身份和起源之谜，我们或许能够利用这些新信号来完成一个雄心勃勃的项目：绘制宇宙地图。 天文学家仍处于跟踪物质如何在空间中扩散和可视化其形成的大尺度结构的早期阶段。 快速射电暴可以为我们的宇宙制图工作提供很大的帮助。 它们是我们所知的唯一具有足够短的时间尺度来测量星系际色散，从而确定我们视线方向上的物质密度的河外源。 星系际介质中的密度是对宇宙大尺度结构各种模型的关键预测，因此来自快速射电暴的信息可以让我们测试哪些模型是正确的。

既然我们已经在全球范围内拥有了遍布天空的快速射电暴探测阵列，并且拥有独立的距离测量，这项工作将为我们对宇宙如何形成和演化的基本理解提供新的测试。 纳克维奇最初的发现确实被证明“非常有趣”。