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什么是快速射电暴?来自深空的神秘毫秒级信号

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Observation of the first detected fast radio burst as described by Lorimer et al. (2007). Note that this is the brightest detection. In the Lorimer paper the figure was of the detection in another beam (and hence is weaker).
图片: Psr1909 · CC BY-SA 4.0 · Wikimedia Commons

要点

快速射电暴(FRB)是来自遥远星系的持续数毫秒的无线电能量闪光,于2007年首次被发现,至今仍未被完全解释。天文学家利用MeerKAT望远镜和詹姆斯·韦布太空望远镜追踪到迄今已知最遥远的快速射电暴——一个历经超过100亿年才到达地球的信号——此后,这一话题再度引发关注。

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根据英文维基百科关于这一现象的词条,快速射电暴(FRB)是一种短暂但极其强大的无线电波闪光,持续时间从千分之一毫秒到几秒不等。同一来源指出,在这短短的一瞬间,一次典型的爆发释放的能量大致相当于太阳三天释放的能量。

快速射电暴是如何被发现的

据维基百科记载,第一个快速射电暴于2007年被天文学家邓肯·洛里默(Duncan Lorimer)和大卫·纳尔克维奇(David Narkevic)发现,他们在重新审查2001年记录的脉冲星调查档案数据时发现了这一信号;该事件现在被称为“洛里默爆发”(Lorimer Burst)。同一词条称,直到2015年1月,才在澳大利亚帕克斯天文台(Parkes Observatory)首次实时探测到新的爆发。

此后,专门建造的射电望远镜使搜寻快速射电暴成为天文学中的常规工作。据维基百科以及NASA关于韦布望远镜参与FRB研究的报道,加拿大的CHIME望远镜自2018年以来已编目数百次爆发,澳大利亚的ASKAP阵列帮助确定了多个单次爆发信号的母星系,而南非的MeerKAT望远镜——通过其MeerTRAP巡天项目——已成为近期发现的核心力量。

这一话题为何再次受到关注

据NASA及《The Conversation》的一篇报道,2026年10月8日,由悉尼大学的玛妮莎·卡勒布(Manisha Caleb)和特米亚·纳纳亚卡拉(Themiya Nanayakkara)领导的研究团队在《科学》(Science)期刊上发表了研究成果,描述了迄今已知最遥远的快速射电暴FRB 20240304B。NASA指出,MeerKAT的MeerTRAP系统于2024年3月4日首次探测到该爆发,随后研究人员利用詹姆斯·韦布太空望远镜找到并研究了其母星系。

据NASA和《The Conversation》报道,韦布望远镜的NIRCam和NIRSpec仪器测得该爆发母星系的宇宙学红移为2.148,这意味着该信号在大爆炸约30亿年后离开源头,历经大约106亿年才到达地球。phys.org报道称,这一距离是此前纪录保持者的两倍多。

一个意外弱小的母星系

令研究团队感到震惊的不仅是距离,还有该爆发来源星系的类型。《The Conversation》报道称,这个母星系的质量仅约为太阳质量的1000万倍——比通常孕育FRB的星系质量小约1000倍——且重元素含量较低,同时正在活跃地形成新恒星。据phys.org报道,论文合著者劳拉·德里森(Laura Driessen)将该星系描述为“出奇地小、金属含量贫乏,且正经历一个非常活跃的恒星形成阶段”。

这种组合对于探讨快速射电暴根本成因的理论而言意义重大。

人们认为快速射电暴的成因是什么

尽管已经进行了近二十年的研究,天文学家仍未就快速射电暴的成因达成单一结论,维基百科列出了多种可能的来源,包括磁星、中子星合并、超新星以及黑洞附近的物理过程。据维基百科记载,目前最有力的直接证据将FRB与磁星——一种具有极强磁场的年轻中子星——联系在一起,这源于2020年4月一次爆发被追溯到银河系内的磁星SGR 1935+2154,这是FRB首次与一个具体的已知天体建立联系。

NASA报告称,关于FRB 20240304B的新发现进一步强化了磁星解释,而非中子星合并理论,因为两个中子星的合并通常需要在恒星形成之后经过很长时间才会发生,而这个母星系年轻的年龄和旺盛的恒星形成活动更符合磁星的特征——磁星通常在大质量恒星以超新星形式爆炸后不久便会形成。

重复爆发与单次爆发

迄今探测到的大多数FRB似乎只闪现一次,但也有一些来源会重复出现。维基百科指出,2012年发现的FRB 121102是首个被确认的重复性来源,位于约30亿光年之外的一个星系中。同一词条称,另一个来源FRB 180916则不同寻常,它以可测量的周期——大约每16.35天一次——脉动,使其成为唯一已知具有规律周期的FRB。

值得关注的快速射电暴一览

关键快速射电暴及其各自的重要意义
爆发探测年份距离/年龄重要意义
洛里默爆发2007年(数据来自2001年)来源未具体说明在脉冲星档案数据中首次被识别的FRB(维基百科)
FRB 1211022012年约30亿光年首个被确认的重复性FRB(维基百科)
FRB 1809162019年至2020年来源未具体说明唯一已知具有约16.35天规律周期的FRB(维基百科)
SGR 1935+2154爆发2020年4月银河系内首个与特定磁星关联的类FRB爆发(维基百科)
FRB 1809242019年约36亿光年首个被追溯到母星系的非重复性FRB(维基百科)
FRB 20240304B2024年3月4日探测到;2026年确认母星系信号年龄约106亿年,红移2.148迄今最遥远的FRB,红移由韦布望远镜测得(NASA、《The Conversation》)

快速射电暴能为天文学家带来什么启示

除了探究其起源之外,科学家还将FRB用作宇宙探针。《The Conversation》报道称,来自FRB 20240304B的无线电波穿越了约80%的宇宙历史,携带了关于磁场、自由电子以及分布在星系之间大部分不可见空间中的带电物质的信息——这些物质通常很难被直接观测到。

正因如此,《The Conversation》将这次爆发描述为一个异常丰富的信息来源,有助于研究那些原本难以直接探测的宇宙区域,这一评价归功于该研究的研究人员。

常见问题

快速射电暴究竟是什么?
根据维基百科,它是一种短暂且高能的无线电波闪光,持续时间从千分之一毫秒到几秒不等,在那一瞬间释放的能量大致相当于太阳三天释放的能量。
是什么导致了迄今最遥远的快速射电暴FRB 20240304B?
其确切成因尚未得到证实,但NASA报告称,该母星系年轻且恒星形成活跃,这使得磁星——高度磁化的中子星——比中子星合并更有可能是其来源。
探测到的最远快速射电暴距离有多远?
据NASA和《The Conversation》报道,FRB 20240304B产生于大爆炸后约30亿年,其信号经历了大约106亿年才到达地球。
所有快速射电暴都会重复出现吗?
不会。据维基百科记载,大多数被探测到的FRB似乎都是单次、不重复的事件,不过也有一些来源会重复出现,例如FRB 121102,而FRB 180916甚至以大约16.35天的周期脉动。
哪些望远镜被用于寻找快速射电暴?
据NASA、《The Conversation》和维基百科,包括CHIME、ASKAP、MeerKAT和FAST等射电望远镜负责探测这些爆发,而詹姆斯·韦布太空望远镜和凯克望远镜等仪器则有助于识别并研究它们的母星系。

来源

  1. NASA Science — Webb Measures Distance to Farthest Fast Radio Burst, Suggesting Origin
  2. The Conversation — Astronomers pinpoint the origin of a 10 billion-year-old millisecond signal from space
  3. Phys.org — Astronomers pinpoint the most distant fast radio burst ever detected
  4. Wikipedia — Fast radio burst

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