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位于加拿大不列顛哥倫比亞省的CHIME射電望遠(yuǎn)鏡每天發(fā)現(xiàn)多達(dá)10個(gè)快速射電暴

2018年圣誕節(jié)和2019年元旦之間，哥倫比亞大學(xué)的天體物理學(xué)家布萊恩·梅策格爾，意識(shí)到他有藏著天文學(xué)中最頑固奧秘之一答案的線索。

他在發(fā)現(xiàn)線索后努力追蹤，擔(dān)心一點(diǎn)點(diǎn)錯(cuò)誤會(huì)毀掉一切成果，或者其他人先將合理的部分拼湊起來(lái)。梅策格爾表示：“我正在與時(shí)間賽跑，因?yàn)槠渌艘部赡軙?huì)看到這一點(diǎn)。”

解謎游戲

梅策格爾與世界各地的其他研究人員在過(guò)去幾年中集思廣益，一起研究快速射電暴的奧妙。快速射電暴是劇烈且無(wú)法解釋的毫秒長(zhǎng)無(wú)線電信號(hào)，它們突然出現(xiàn)在天空中，短暫蓋過(guò)了我們銀河系中的無(wú)線電脈沖—盡管它們距離我們，比銀河系中的脈沖星與我們的距離要遠(yuǎn)上百萬(wàn)倍。

2013年之前，許多天體物理學(xué)家懷疑它們是否真的存在。那之后的幾年里，研究人員發(fā)表了許多關(guān)于快速射電暴產(chǎn)生原因的解釋。僅一個(gè)統(tǒng)計(jì)目錄下就包括了48種不同理論，理論數(shù)目到最近已經(jīng)超過(guò)了事件次數(shù)本身。

快速射電暴理論由兩個(gè)部分組成，這兩個(gè)部分類似于宇宙規(guī)模的解謎游戲中的“嫌疑人”和“武器”?！跋右扇恕笔且环N可以釋放巨大能量的天體物理野獸?！拔淦鳌笨梢詫⑦@種能量轉(zhuǎn)化為一種令人頭疼的、不尋常的無(wú)線電信號(hào)。

快速射電暴可能是中子星合并的結(jié)果。

現(xiàn)在，梅策格爾和他的同事重建了“犯罪”現(xiàn)場(chǎng)。3月的早些時(shí)候，他們?cè)诰W(wǎng)站arxiv.org上發(fā)布了一篇論文，該論文勾勒出了快速射電暴在空間混亂的粒子和磁場(chǎng)云層爆炸時(shí)是如何產(chǎn)生的。

該模型不要求使用磁星作為爆炸源，這么一來(lái)就很容易建模。磁星是一顆年輕的中子星，有時(shí)會(huì)像日冕中的粒子拋射那樣打出帶電粒子。每一次新的爆炸都會(huì)被代入周圍的雜波中。爆炸發(fā)生時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生沖擊波，這個(gè)沖擊波會(huì)被宇宙的另一角落觀察到短暫的、激光般的無(wú)線電波閃光。

天文學(xué)家真正在意的是，梅策格爾的理論為未來(lái)的快速射電暴的形態(tài)，作出了非常具體的預(yù)測(cè)，這些預(yù)測(cè)將很快被用于測(cè)試。一臺(tái)名為CHIME的新型加拿大射電望遠(yuǎn)鏡，預(yù)計(jì)將在2019年晚些時(shí)候全面投入運(yùn)營(yíng)，預(yù)計(jì)它每天將發(fā)現(xiàn)1～10個(gè)快速射電暴。

2018年夏天的初步測(cè)試期間，它發(fā)現(xiàn)了13個(gè)射電暴，結(jié)果在2019年1月發(fā)布?！拔艺J(rèn)為，在接下來(lái)的一年時(shí)間左右，我們將能夠很好地測(cè)試這一點(diǎn)?！丙溂獱柎髮W(xué)天體物理學(xué)家、CHIME快速射電暴團(tuán)隊(duì)成員什里哈什· 滕登卡爾說(shuō)。

“兇手”中子星

梅策格爾和他的同事本·馬爾加里特、洛倫佐·希洛里發(fā)表的理論，建立在迄今為止快速射電暴案例最大的突破上。

2016年，在德國(guó)波恩的馬克斯·普朗克射電天文學(xué)研究所，勞拉·斯皮特勒爾領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)，基于有史以來(lái)第一個(gè)重復(fù)出現(xiàn)的快速射電暴，公布了他們的結(jié)果。

以前，觀測(cè)到的射電暴活動(dòng)都是一次性的。天文學(xué)家無(wú)法追蹤它們?cè)谔炜罩械奈恢?。但是這一個(gè)射電暴在不可預(yù)測(cè)的時(shí)間間隔之后，再次神秘爆發(fā)。

射電天文學(xué)家很快就將它的起源定位在一個(gè)小的、畸形的矮星系。他們?cè)噲D從這些無(wú)線電信號(hào)中挖掘出線索，最后發(fā)現(xiàn)，它來(lái)自極端磁場(chǎng)所挾持的密集等離子區(qū)域。

研究人員還發(fā)現(xiàn)射電暴被更微弱，但不間斷的射電光包圍。2018年11月，天文學(xué)家杰森·海瑟爾斯（與斯皮特勒爾及其他人一起）發(fā)現(xiàn)了一些奇怪的事情：每一次瞬間射電暴爆發(fā)，實(shí)際上都包含一些子爆發(fā)，這些爆發(fā)從高頻降到低頻。

20世紀(jì)50年代，物理學(xué)家用核武器的爆炸波來(lái)估計(jì)它們的當(dāng)量。在這些模型中，核爆炸產(chǎn)生的沖擊波鋒，在向外擴(kuò)張時(shí)會(huì)擠壓更多的氣體。從沖擊波鋒釋放的輻射，在頻率上會(huì)向下移動(dòng)。

梅策格爾一直認(rèn)為，這種沖擊波效應(yīng)可能回答了快速射電暴頻率的線索。接著，CHIME望遠(yuǎn)鏡在1月初觀察到了另一起重復(fù)事件。這個(gè)重復(fù)的射電信號(hào)顯示出相同的、向下的頻率變化。

布萊恩·梅策格爾和他的妻子史塔西·托馬斯在2 0 1 9 年的“ 突破獎(jiǎng)”頒獎(jiǎng)典禮上。布萊恩·梅策格爾獲得了物理學(xué)新視野獎(jiǎng)

現(xiàn)在，梅策格爾、馬爾加里特和希洛里已經(jīng)發(fā)布了他們的完整理論模型。想象一下，一顆城市大小的中子星，僅在幾年或幾十年前，由超新星爆發(fā)中鍛造形成，其表面還在不停變動(dòng)翻滾。這個(gè)年輕的磁星會(huì)偶爾發(fā)出耀斑，在接近光速的情況下噴射出電子、正電子和更重的離子。

這些東西噴射時(shí)，它會(huì)遇到之前在耀斑中產(chǎn)生的舊粒子。當(dāng)新的噴射物遇到舊的碎片時(shí)，它的內(nèi)部磁場(chǎng)的不穩(wěn)定性加劇。當(dāng)沖擊波向外擠壓時(shí)，內(nèi)部的電子沿磁場(chǎng)線旋轉(zhuǎn)，該運(yùn)動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生一陣射電波。隨著沖擊變緩，該信號(hào)從較高頻率轉(zhuǎn)變?yōu)檩^低頻率。

等待“判決”

梅策格爾的模型，預(yù)測(cè)了未來(lái)快速射電暴應(yīng)有的一些特定性質(zhì)。比如：所有未來(lái)的快速射電暴，都應(yīng)遵循相同的頻率向下變化。它們可能會(huì)顯示出伽馬射線或X射線的存在，而這正是斯皮特勒爾等天文學(xué)家已經(jīng)在尋找的東西。

它們應(yīng)該存在于形成大量新恒星并產(chǎn)生新磁星的星系中。當(dāng)它們重復(fù)出現(xiàn)時(shí)，它們應(yīng)該在天文學(xué)家觀察到一次重大閃光后暫?；顒?dòng)。

梅策格爾的模型，現(xiàn)在面臨著其他可行的理論模型的挑戰(zhàn)?？焖偕潆姳┛赡苁侵凶有呛喜⒌慕Y(jié)果，2017年的中子星合并首次同時(shí)被望遠(yuǎn)鏡和引力波探測(cè)器觀察到。中子星也可能在撞擊其他物體（如黑洞或白矮星）時(shí)，自身崩潰變成黑洞，或當(dāng)它們的磁力線被強(qiáng)烈的等離子體風(fēng)吹走時(shí)，制造出快速射電暴。

過(guò)去5個(gè)月中，雖然CHIME剛剛進(jìn)入調(diào)試階段，但研究人員發(fā)現(xiàn)了更多尚未公開發(fā)布的射電暴。團(tuán)隊(duì)成員希望在4月開始正式觀察。其他的大型射電望遠(yuǎn)鏡也將投入使用。這將會(huì)帶來(lái)更多的數(shù)據(jù)。

多年的數(shù)據(jù)匱乏和“白日做夢(mèng)”之后，快速射電暴現(xiàn)在終于有了揭開謎底的可能。2月中旬，天文學(xué)家們?cè)诎⒛匪固氐づe行會(huì)議，分享最新的發(fā)現(xiàn)，并討論中子星到底是不是導(dǎo)致射電暴的最終原因。

“這是一個(gè)完美的時(shí)間點(diǎn)?！毖芯咳藛T對(duì)馬爾加里特在會(huì)議上提出的梅策格爾模型進(jìn)行了辯論，但是還沒有承認(rèn)其結(jié)果?！拔覀冋幱谮呁倪吘?，”滕登卡爾說(shuō)，“我們就先這么說(shuō)吧?！?/p>