美国绿岸望远镜（GBT）能观测到快速射电暴的偏振，“中国天眼”FAST接收面积更大却看不到，两者观测频率有所区别，这隐含了快速射电暴所处环境的信息。图片来源：中国科学院FAST重点实验室
快速射电暴是天文学最热门的领域之一。这种射电瞬变源能在毫秒之间释放太阳几天甚至一年才能释放的能量，但直到十余年前才被科学家发现，有人甚至怀疑它是外星人星际旅行留下的痕迹。而现在，中国天眼即将凭借地球最强的观测能力，破解这个天文学最热门的谜题。
撰文"王昱
审校|二七
五感之中，人们最偏重视觉。但眼睛仍有诸多限制，它能注意到的不过是400~780纳米之间，名为可见光的电磁波。这是太阳辐射能量最集中的波段。依靠对这些电磁波的观测能力，人类在亿万斯年的演化战争中脱颖而出。但当我们建立文明，将视野投向无垠的宇宙后，眼睛、甚至是简单的光学望远镜，就都显得不太够用了。
所以，我们可能会忽略很多事情。比如，直到1911年，当维克托·赫斯（Victor Hess）带着静电计搭乘热气球飞到5300米高空时，我们才知道地球正不停被宇宙线轰击；直到1965年，当阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）清理了它们射电天线上的鸽子窝和鸟粪后，我们才确信宇宙存在微波背景辐射。不过，当2007年，邓肯·洛里默（Duncan Lorimer）团队在澳大利亚帕克斯天文台成堆的数据中发现了一个2001年的怪异射电信号时，大多数人却没有放在心上。因为这个信号太奇怪了，持续时间短于5毫秒，却释放了太阳一个月才能释放出的能量。这个信号被称为“洛里默暴”，不少人都认为它可能是地面干扰造成的。直到2012、2013年，天文学家又陆续发现了几个相似的信号，天文学界才赋予这个现象正式的名字——快速射电暴（Fast radio burst，FRB）。
快速上升的观测能力
快速射电暴的发现出人意料的晚。它并不是什么罕见的天象，在“洛里默暴”时代，天文学家就估计每天天空中都会出现数百次这样的暴发。而且在那之前，大型射电望远镜已经观测宇宙长达半个世纪。用“中国天眼”首席科学家李菂的话说：“这一个厘米波段宇宙中最亮的瞬变源，甚至用量产的电视天线都有可能探测到。”
所以，在确认快速射电暴的存在之后，人类对它的探测能力也急速上升。在这个过程中，人们借助美国阿雷西博望远镜强大的观测能力，意外发现有的快速射电暴源（FRB 121102）可以重复暴发。后来的加拿大CHIME射电望远镜，本来是通过观测宇宙中的氢进行宇宙学研究，却意外凭借大视场成为了检测快速射电暴的利器。2021年，它一口气公布了536次快速射电暴，其中大部分是新发现的源。当时，人类已知的快速射电暴源不过100多个。2007年“中国天眼”FAST正式立项时，“快速射电暴”这一名词甚至还没有出现。而现在，FAST却凭借全球最高的灵敏度，成为了深度监测快速射电暴的主力。因为FAST能观测到其他望远镜观测不到的暗弱信号，2019年，北大天文学博士生罗瑞甚至以此让原先不重复的快速射电暴FRB 180301“变成”了重复快速射电暴。2021年，FAST重点实验室公布了自己的观测结果，仅从FRB 121102一个重复源，就能观测到1652次快速射电暴，超出了以往观测数量的总和。
在这些强大的望远镜出现之前，快速射电暴领域也经历过模型数量多于观测实例的阶段。那时，快速射电暴是理论专家狂欢的舞台，中子星、黑洞、宇宙弦等五花八门的理论都被提了出来。我们的“外星人常客”，哈佛大学天文系前主任阿维·洛布（Avi Loeb）自然也没有缺席，他曾主张快速射电暴是外星人星际航行使用光帆时留下的痕迹。
人类在夜空中发现的快速射电暴的位置大致分布。图片来源：NRAO Outreach/T。 Jarrett （IPAC/Caltech）； B。 Saxton， NRAO/AUI/NSF）
随着观测能力的增加，我们距离快速射电暴的真相也越来越近。快速射电暴又成了观测天文学家炫技的秀场。现在，快速射电暴可谓是天文学中最热门的领域。
2020年 4 月 28 日，加拿大CHIME射电望远镜观测到了一次射电爆发，这一现象和快速射电暴十分相似，被命名为FRB 200428。与此同时，几颗太空中的X射线观测卫星还观测到了来自相同方向的X射线暴，其中包括我国的慧眼卫星。这些信号被证明都来自银河系内的磁陀星 SGR J1935+2154（一种具有超强磁场的年轻中子星）。FAST也参与了相关研究。这一系列研究被《自然》杂志评为年度十大科学进展。阿姆斯特丹大学的天文学家肯齐·尼莫（Kenzie Nimmo）说：“现在我们至少可以确定，部分FRB来自磁陀星。”
2021年，欧洲甚长基线干涉仪精准定位了FRB 20200120E，发现它位于一个古老的球状星团中。磁陀星的寿命很短，只有几万年，一般来说不会出现在球状星团中。因此有人提出，可能是球状星团中的致密双星合并产生了磁陀星。
2021年，FAST从FRB 121102观测到了1652次快速射电暴，超出了以往人类观测数量的总和。在这些数据中，FAST没有发现周期性，却发现它们的能量分布呈现出双峰结构。同时，此次FAST观测时间仅有2个月，却发现FRB 121102释放的能量已经超出了单颗磁陀星可用能量的38%，这基本排除了重复快速射电暴起源于单颗磁陀星的可能性。（该成果入选 2021 年度“中国科学十大进展”）
消失的低频偏振
电磁波是一种横波，存在偏振。在偏振光中，电场和磁场都只能在特定方向震动。比如液晶显示屏发出的就是偏振光。
大多数手机、电脑屏幕发出的光都是偏振光
2019年，在一篇关于快速射电暴的综述文章中，艾米莉·彼得罗夫（Emily Petroff）博士写到：“未来几年，除了CHIME射电望远镜宽广的视场能提供大量快速射电暴样本之外，快速射电暴的相信参数（对于确定快速射电暴的起源）也非常重要。比如不受仪器精度限制的偏振信息和时变信息。”
快速射电暴都是偏振的，但测量偏振对望远镜的灵敏度要求很高，而这正是FAST的优势。FAST的馈源可以看成两个正交方向的天线，可以同时测量两个偏振成分，再组合出整体性质。快速射电暴都是偏振的。2020年10月，罗瑞博士正是凭借FAST对FRB 180301的观测，分析出它的单次脉冲的偏振没有特定的取向，表明快速射电暴很可能起源于磁陀星的磁层。
科学家自然要充分利用FAST的观测优势。在FAST从FRB 121102观测到1652次快速射电暴后，李菂团队的冯毅博士尝试分析FRB 121102的偏振信息，却发现它完全没有线偏振。
这个结果非常奇怪：先前其他望远镜对FRB 121102的偏振测量都显示它为100%线偏振。FAST明明灵敏度更高，也已经完成了偏振校准，更理应能测到线偏振。在尝试找到FAST完全测不到偏振的原因时，冯毅发现，FAST观测时的频段比其他望远镜观测时的频段更低。
冯毅有了一个想法——快速射电暴在传播过程中，因为复杂的星际环境，电磁波传播过程被分成了多条路径。在不同路径中，扭转的方向不一样，其中低频电磁波的偏振方向更容易被扭转。而我们观测到的信号是所有路径信号的总和，所以低频信号就不再偏振，这被称为“RM弥散（σRM）”。
冯毅发现在FAST对FRB 180301的观测中，也呈现出了高频线偏振程度高，低频线偏振程度低的特点，这让他进一步确定了自己的猜测。并且他认为，不同的重复快速射电暴会具有不同的RM弥散参数。观测到的RM弥散越大，就表明电离环境越复杂，可能就表明环境处在更早的演化阶段。通过对以往观测数据的拟合，他预言，重复快速射电暴FRB 20190303A在FAST的波段应该是100%的线偏振。
难得的预言
四个月后，观测结果证实了他的猜想。这是人类对快速射电暴一次难得的预言和证实。相关结果发表在《科学》杂志上。
重复快速射电暴偏振频率演化关系。不同颜色的线代表不同的快速射电暴的偏振随频率演化关系曲线，每条线仅用一个参数“RM弥散（σRM）”拟合。σRM越大代表快速射电暴所处的环境越复杂，其所处的演化阶段极为可能越早，和超新星遗迹等爆发类现象的特征更为吻合。图片来源：SCIENCE17 Mar 2022 Vol 375， Issue 6586 pp。 1266-1270
研究团队中的理论专家，包括云南大学杨元培副教授、普林斯顿鲁文宾博士、内华达大学张冰教授等人已经构建了基于多路径传播的磁化散射屏模型，目前论文已经被《天体物理学杂志快报》接收。该模型可以通过RM弥散计算出快速射电暴源所处环境中磁场、电子数密度。对应的数据显示，结果发现，快速射电暴源很可能位于超新星遗迹或脉冲星风云内。这样的环境表明，快速射电暴的起源，很可能是个年轻的中子星。
“磁化散射屏模型”的示意图。快速射电暴源发出的辐射是线偏振的，但是在穿过由等离子体构成的磁化散射屏后，其偏振方向被扭转为不同的方向，在观察者看来，快速射电暴就不再偏振了。图片来源：Yang， Y。-P。， Lu， W。， Feng， Y。， Zhang， B。， and Li， D。 2022，“Temporal Scattering， Depolarization， and Persistent Radio Emission from Magnetized Inhomogeneous Environments Near Repeating Fast Radio Burst Sources”， accepted by ApJL
冯毅的研究表明，如果要寻找快速射电暴的起源，我们可能要更倾向于研究那些能产生复杂电离环境的模型，比如涉及超新星遗迹或大质量黑洞的模型。虽然目前我们还不能确定快速射电暴究竟是如何产生的，快速射电暴甚至可能具有多种起源，但我们至少可以确定，快速射电暴源周围的环境都是相似的。
快速射电暴是一个非常年轻的且活跃的领域，它也是中国科学家频繁参与，并做出显著贡献的领域。不仅是中国天眼、慧眼卫星对观测的贡献，中国科学家也提出了大量关于快速射电暴形成理论的猜想。例如中科大戴子高教授已经发表20余篇FRB模型的研究，年轻的科学家例如王维扬，杨元培等非常活跃。
人类对快速射电暴的观测能力仍在快速上升。人类目前能想到的观测手段，在未来2-3年内都将被分散在世界各地的望远镜，利用各自独特的优势所实现。目前观测到的快速射电暴源中，大约10%是确定可重复的。但剩下的90%究竟是一次性的，还是因为太暗导致我们观测不到它在重复，这个问题我们很可能有机会在将来的探测中得到解答。
在这场发现之旅中，“中国天眼”将会是不可替代的望远镜，人类有望借它回答快速射电暴的起源问题。李菂补充到：“如果还不能回答，那就又是一个世纪难题。”
主要参考论文：
https：//www.science.org/doi/10.1126/science.abl7759
https：//ui.adsabs.harvard.edu/abs/2022arXiv220209602Y/abstract
参考链接：
https：//www.nature.com/articles/nature17168
https：//iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4365/ac33ab
https：//www.nature.com/articles/s41586-020-2827-2
https：//www.nature.com/articles/s41586-021-03878-5
https：//iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa633e
https：//www.nature.com/articles/s41550-021-01302-6
https：//iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/abeaa6
https：//link.springer.com/article/10.1007/s00159-019-0116-6
https：//www.zhihu.com/question/522643072/answer/2401646917
https：//www.cas.cn/syky/202203/t20220318_4828668.shtml
https：//www.space.com/fast-radio-bursts-different-populations
本文转自《环球科学》
