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快速射电暴（fast radio burst，FRB）是宇宙中最大的谜团之一。FRB在2007年首次被发现，14年来，无数天文学家将目光转向FRB，希望以它为线索揭开更多宇宙奥秘。而昨天在《自然》杂志发表的一篇论文中，中国科学家领衔的国际研究团队用FAST发现了1652次快速射电暴，超过了以往所有文献记载的数量总和。FAST此次观测成果，或许能改变天文学家探索FRB的方式。
编译 | 王昱
审校 | 石云雷
2007年，FRB首次被发现时，天文学家对它可能是什么一无所知。从未有任何理论预言过快速射电暴（fast radio burst，FRB）的存在。这种来自宇宙深处的暴发可以在几毫秒内闪现又消失，每一例FRB释放的能量都相当于太阳一年释放出的能量之和。每天都会有多个FRB从各个方向向地球奔来，但它们大多都是单独发生的，难以捕捉。
天文学家争先恐后地提出各种想法。从旋转中子星的巨型磁暴发，到宇宙大爆炸遗留的宇宙弦，甚至还有正在进行星际跳跃的外星飞船，解释FRB的理论五花八门。在FAST和其他搜寻FRB的望远镜开始运行之前，理论家之间甚至一度流传着一个笑话——解释FRB的理论的数量已经超过了已知FRB事件本身的数量。
昨天，一个国际研究团队在《自然》杂志上报告了他们用500米球面射电望远镜（FAST，又称中国天眼）探测到了一组有史以来最大的FRB数据集。根据论文，他们共探测了1652次FRB，超过了以往所有文献记载次数的总和。所有这些短暂而明亮的暴发都来自30亿光年外一个矮星系中的一个未知的FRB源。除了显著增加目前已知的FRB总数以外，此次观测到的FRB能量分布范围也非常大，同时具有一定的统计特征，为FRB迷一般的起源提供了新的线索。
FRB 121102信号被FAST捕捉到的艺术想象图，其中波形形状来自真实的FRB 121102信号。图片来源：国家天文台
“这项研究非常彻底，具有此前FRB研究中从未有过的细节，”荷兰阿姆斯特丹大学和加拿大麦吉尔大学的天体物理学家埃米莉·彼得罗夫（Emily Petroff）说，她没有参与这项研究，“在不久的将来，深入分析单个FRB源将成为FRB研究中的重中之重。”
一连串的暴发
直到2016年，天文学家才发现第一个重复的FRB源，并将其命名为FRB 121102。统计规律表明，不断增长的FRB记录中大约有20%会重复出现（同一个位置至少出现了2次FRB）。研究人员对这些重复的FRB源跟踪观测，能获得更多细节。FRB 121102则是迄今为止被研究得最透彻的FRB源，它位于一个年轻恒星正在形成的星系。FRB 121102的行为很难预测，其行为通常被描述为具有“季节性”。在FAST之前，科学家曾用其他望远镜从这个源发现了约350个FRB。
论文第一作者兼FAST首席科学家李菂表示，由于FAST前所未有的灵敏度，它能捕捉到其他望远镜无法观测的低能量脉冲。当该团队在FAST调试阶段进行观测测试时，他们发现FRB 121102正处在活跃期，时常发出明亮的脉冲。所以，他们决定每天抽出一小时来检测它。结果证明，暴发比预期的密集得多。有时，大约每30秒就有一次FRB发生。从2019年8月29日到10月29日，他们用59.5小时的观测时间共检测到了1652次FRB。
本次发现的1652个FRB分为两种：一种能量较高、一种能量较低。首次FRB的发现人之一、该论文的合著者、美国西弗吉尼亚大学的天文学家邓肯·洛里默（Duncan Lorimer）表示，这可能是由两种不同的物理机制导致的。
FRB 121102信号的各向同性等效爆炸能量分布图。图片来源：国家天文台
然而，目前尚不清楚这些机制是什么。即便如此，因为这些FRB释放出的能量如此之高，总能量达到了一颗磁陀星（一种磁场极强的中子星）可用能量的3.8%，并且这个源并没有表现出任何较短的周期性（这表明源在旋转或在固定的轨道上运转），李菂认为，他的团队已经基本排除了FRB 121102来自一个孤立致密天体——例如旋转中子星或者一个黑洞——的可能性。
但其他人却对这一结论充满顾虑。比如，中国科学技术大学的理论物理学家戴子高表示，FRB 121102仍然可能是一颗磁陀星，这是一种具有极强表面磁场的特殊中子星。当磁陀星的外层在星体磁场突然变化的压力下发生改变时，它就会发生“星震”。就像由板块运动或小行星撞击都能引起的地球上的地震一样，“例如，当磁陀星时常被周围的小行星撞击时，它就可能发生多次星震——这也是（FRB 121102）可能存在的一个场景。”戴子高解释说。
FRB快车道
“FAST非常适合用于这样的研究——对重复源进行深入分析，”洛里默说到。虽然并非为寻找FRB设计，但FAST极高的灵敏度能让它检测到其他望远镜错过的现象。也正因如此，对FRB研究而言，FAST最好和其他望远镜配合使用，比如加拿大的CHIME望远镜，其具有广阔的视野，它非常善于发现从我们头顶各个方向射来的FRB。
FAST在2016年落成，超过去年坍塌的阿雷西沃望远镜成为世界上最大的球面射电望远镜。今年早些时候，FAST宣布对全球科学界开放，征集来自全球科学家的观测申请。
图中波形形状来自真实的FRB 121102数据，图片风格模仿王希孟的《千里江山图》。图片来源：国家天文台
彼得罗夫是CHIME/FRB合作组成员，她表示她的团队现在已经成功申请到了FAST的观测时间。根据李菂的说法，获批准的国际项目已经开始观测了。由于疫情，外国科学家仍只能远程操作。
激进的未来
李菂表示，FAST将会继续监测FRB 121102，同时调查其他重复源。他还透露，他的团队正在研究一个尚未公开的源，它的行为比FRB 121102“更激进”。戴子高表示，研究普通的和“激进”的FRB系统，对于理解对FRB的行为及其本质至关重要。他和其他专家说，要取得进一步的突破，需要全球多个望远镜在不同波段共同努力——也包括对中微子和引力波的观测。
洛里默表示，尽管我们已经观测到了很多FRB的现象，但其理论仍然很不成熟。下一步是尽可能多地确定下这些源所在的星系，就像李菂团队一样尽可能多地对单个系统进行深度分析。通过大量的努力，或许还需要发现更多激烈重复源和激进的独立FRB，科学家们可能很快就能解开FRB的形成之谜，并为研究这种未充斥在整个宇宙中的高能、短期天体物理现象，打开一扇崭新的窗口。
