神秘的宇宙闪烁，来自三体的信号？还是其他？

导读：

     自2007年美国科学家邓肯-洛里默首次发现快速射电暴以来，科学家们已经在银河系内外发现多个快速射电暴事件，而中国科学家依靠天眼FAST的多个发现，尝试探索快速射电暴的规律。

冯毅 ｜ 撰文

王馨心 韩越扬｜ 编辑

宇宙闪烁

相信不少读者都看过科幻小说《三体》，里面有句著名台词是“整个宇宙为你而闪烁”（图1）。在三体的剧情里面，所谓的“闪烁”指的是宇宙微波背景辐射，不过在我们现实的宇宙中，真的存在一种闪烁，那就是快速射电暴。

快速射电暴于2007年首次被美国的邓肯-洛里默教授（Duncan Lorimer）发现[1]。在最开始，快速射电暴作为一种全新的现象被称为“洛里默暴”。由于只有一例，天文学家并不清楚它是来自于宇宙深空还是人造的信号，比如是否来自微波炉或者人造卫星。洛里默教授的夫人莫拉-麦克劳林（Maura McLaughlin）也是著名的天文学家，她不相信“洛里默暴”来自宇宙深空，甚至写了篇论文反对洛里默教授。

2013年，情况发生了变化，天文学家又发现了4例[2]“洛里默暴”。直到这个时候，天文学家才相信“洛里默暴”是来自宇宙深空，而不是地球上人为制造的信号。并且这个时候，“洛里默暴”终于有了一个新的名字——快速射电暴 （fast radio burst; FRB）。快速射电暴，顾名思义，“快速”指它们的持续时间非常短，大概只有千分之一秒，比人眨眼快几百倍；“射电”指目前它们只在射电波段被发现过；“暴”指它们的能量非常高，在千分之一秒释放的能量可能比太阳一年释放的能量还要高。

快速射电暴领域迅速成为了理论家的炫技场，各位大家纷纷出手解释快速射电暴的起源。例如，哈佛大学的教授提出惊人的想法：快速射电暴是外星文明产生的[3]。起源理论的数量一度超过了快速射电暴的数量。目前已经有超过50种关于快速射电暴的起源模型，比如磁星、双星的并和，双星的互相作用等，但是迄今为止没有公认的解释。这也意味着，这个全新的领域拥有推进宇宙探索甚至颠覆性挑战基础物理的潜能。

2017年之后，快速射电暴领域快速发展，目前发表的快速射电暴数量超过了700个，其中有一类叫做重复快速射电暴（简称重复暴）。重复暴，顾名思义，指可以发出多个脉冲的快速射电暴，目前已确认的重复暴有60多个。当前发现的快速射电暴数量仍在快速增长，展现出了利用快速射电暴探索宇宙的极大潜力。由香港邵逸夫基金会设立的邵逸夫奖，被称为“东方诺贝尔奖”，其嘉奖的多位天文学家在获得邵逸夫奖之后也获得了诺贝尔物理学奖。2023年邵逸夫天文奖颁给了马修-贝尔斯，邓肯-洛里默，莫拉-麦克劳林，以表彰他们对快速射电暴的发现。

大家可能会好奇快速射电暴在宇宙中的什么位置。这是快速射电暴领域中的一个核心问题，也和快速射电暴的起源息息相关。2020年之前，天文学家对大约20个快速射电暴进行了定位，它们都在距离银河系十分遥远的星系。

FRB 121102是首个发现的重复快速射电暴，也是首个被定位的快速射电暴。快速射电暴的命名一般以它首次在人类的观测设备中出现的时间命名，121102意味着它是2012年11月2号首次在人类的设备中被探测到。2017年美国的查特吉教授利用VLA望远镜对FRB 121102进行了数百个小时的观测，终于确定了FRB 121102位于一个遥远的矮星系，距离地球大约30亿光年。这一成果登上Nature封面[4]，也被美国天文学会评价为自LIGO引力波测量之后天文学最重大的发现。

图3：Nature封面：2017年美国的查特吉教授利用VLA望远镜对FRB 121102进行了数百个小时的观测，终于确定了FRB 121102位于一个遥远的矮星系，距离地球大约30亿光年。图片来源：Nature.

正当天文学家认为快速射电暴都在银河系以外时，令人震惊的事情发生了。2020年，来自于银河系以内的快速射电暴[5，6]首次被发现了。这个快速射电暴来自于银河系的磁星SGR 1935+2154，这让天文学家们确认了至少有些快速射电暴起源于磁星。磁星是一种表面磁场极强的中子星，其表面磁场高达一百亿特斯拉。而地球上实验室制造的最强磁场大约是一万特斯拉，也就是说磁星表面磁场比人造最强磁场还强100多万倍。磁星是宇宙赠给人类的天然试验场。

那么是否所有的快速射电暴都起源于磁星呢？天文学家对此是持怀疑态度的。首先，银河系磁星是个孤例，其次，快速射电暴的能量存在巨大的差异，银河系磁星发出的快速射电暴比其他的重复暴能量通常要低上万倍。因此，银河系磁星射电暴有可能和其他的重复暴并不是同一起源。

中国天眼

“中国天眼”FAST也对SGR 1935+2154进行了观测，并发现快速射电暴的出现与软伽马射线爆发关联性较弱，论文发表在Nature[7]。“中国天眼”FAST是我国自主建设的世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。它的口径达到500米，面积相当于16个足球场的大小。如果给这口大锅装满水，地球上的每个人都可以分到4瓶。

“中国天眼”FAST在2020年通过国家验收之后，也开始在快速射电暴领域做出一系列突破性进展。其中包括系统发现快速射电暴[8，9]，实现中国射电望远镜首次发现快速射电暴的突破， 并揭示快速射电暴事件率超过每天12万次；首次在重复暴的单个脉冲之间发现偏振位置角发生变化[10]；捕获世界最大快速射电暴样本[11]；发现快速射电暴起源关键证据[12]；发现世界首例持续活跃的快速射电暴[13]；首次探测到快速射电暴局域环境的磁场变化[14]等。

其中，“中国天眼”首席科学家李菂研究员带领团队利用FAST对FRB 121102进行了观测。笔者也是该团队成员之一。我们于2019年捕获到FRB 121102的极端活跃期，在此期间，一共探测到来自FRB 121102的1652个爆发，比此前发表的总数还要多4倍，构成当时来自单一快速射电暴的最大样本集，推动重复暴研究进入高统计性时代。FAST首次测得爆发率的特征能量，首次发现其双峰结构，揭示了快速射电暴的物理机制。此论文于2021年发表在Nature[11], 并且入选2021年度“中国科学十大进展”。

统一快速射电暴的尝试

快速射电暴的偏振性质包含了快速射电暴本征特性与其形成环境丰富的信息。偏振是指横波的振动矢量偏于某些方向的现象。和快速射电暴的能量类似，快速射电暴的偏振性质似乎也存在巨大差异。此前提到的FRB 121102样本集的偏振性质也是一个宝库。中国科学家团队对FRB 121102爆发的偏振性质做了分析，惊讶地发现：FRB 121102的线偏振是0。在此前已经发表的Nature论文中，FRB 121102在更高的频段的线偏振是100%。从100%到0这种程度的跃变很反常，接下来，更多的数据来看看FRB 121102究竟是个特例，还是普遍的特征。

后续，我们用中国天眼和美国的绿岸望远镜对一系列重复暴的偏振进行了测量。结果如图5所示，这些重复暴都满足高频线偏振度高，低频线偏振度低的特征。在首次发现这一统一趋势之后，我们开始寻求背后的物理规律。

我们意识到，这种高频线偏振度高，低频线偏振度低的消偏振现象之前在脉冲星的观测中被发现过，例如J0742-2822和J0835-4510这两个脉冲星的线偏振随频率变化。它们在100-200MHz之间的消偏振现象是多路径传播导致的，多路径传播指的是脉冲通过不同的路径到达观测者（图6）。宇宙中存在大量的星际介质，电磁波穿过星际介质中的磁化等离子体会发生振动方向改变的现象，这种现象叫做法拉第旋转。脉冲穿过的不同路径上的磁化等离子体数量不一样，导致不同路径上的线偏振矢量旋转角度不同，最后在观测者处叠加起来，就会出现线偏振降低的消偏振现象。这种多路径传播导致的消偏振可以用单一参数σ_RM描述，上述两颗脉冲星的σ_RM分别为0.1 rad/m2和0.3 rad/m2。

如图5所示，重复暴都可以用多路径传播拟合。这意味着这些重复暴所处的环境复杂，有大量的磁化等离子体，和超新星遗迹以及星风环境类似。σ_RM越大，意味着重复暴环境越复杂，年龄也可能越年轻。例如，FRB 121102和FRB 190520的年龄可能只有十几年，而FRB 20180916B的年龄相对较老，可能超过500年。

我们首次提出重复暴偏振频率演化的统一机制，创新性地利用偏振频率演化关系描绘了重复暴周边环境，为构建重复暴的演化图景奠定了基础。该成果于2022年3月发表于Science[12]（Feng et al. 2022）。Science为此文刊登了以“统一重复快速射电暴”为题目的特邀专家评述[15]：“提供了探测快速射电暴复杂环境的独特方法，揭示快速射电暴可能存在演化阶段”。

FRB 190520是目前σRM最大的重复暴，意味着它可能是最年轻的重复暴。研究重复暴的演化，FRB 190520可能是一个突破口。自从它被天眼FAST“多科学目标同时巡天（CRAFTS）”项目所发现之后，我国科学家团队进一步利用位于澳大利亚的帕克斯望远镜和位于美国的绿岸望远镜对其进行了长达17个月的监测。通过综合分析，发现它的周边磁场存在着极端反转，也就意味着它可能处在双星系统中，而双星的伴星可能是黑洞或者大质量恒星。本成果于2023年5月发表于Science[16]，统一快速射电暴的拼图至此又多了一块。

新的篇章

统一快速射电暴还在继续，揭秘之旅离不开数据。之江实验室正在打造快速射电暴数据库Blinkverse[17]（图8，网址是https://blinkverse.alkaidos.cn）。Blinkverse是目前覆盖范围最广的快速射电暴数据库，拥有35维的高数据维度以及多观测设备的动态谱图，目前已收录有6000余例脉冲数据。

无论是快速射电暴，还是三体文明，人类对神秘宇宙的探索与想象从未停止。日月安属？列星安陈？相信只要我们步履不停，终有一天会揭开宇宙的神秘面纱。

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