自從十多年前被發現以來，神秘的無線電波閃光一直困擾著天文學家。 這些“快速射電暴”（FRB）以驚人的頻率和強度在整個天空中出現，每一個都來自遙遠的星系外未知來源，並將高達數億個太陽的功率輸出壓縮到僅僅幾毫秒的時間內。
現在，研究人員正在接近它們的起源。
一個研究距離地球約 30 億光年的一個特定 FRB（被稱為 FRB 121102，唯一被觀察到重複出現的）的團隊發現，它被極強的磁場所包圍。 此類極端的磁場此前僅在銀河系中心超大質量黑洞附近的中子星周圍被觀察到。 該團隊認為，這個 FRB 的神秘來源是一顆非常年輕且快速旋轉、高度磁化的中子星——磁星——它可能正在繞一個巨大的黑洞執行。 這些發現發表在 1 月 11 日的《自然》雜誌上 。
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“我們首次對爆發源周圍的環境有了一些瞭解——來自 30 億光年外的遙感！”該研究的合著者、康奈爾大學的天文學家 Shami Chatterjee 說。“我們意識到這是在一個奇異事物之上堆疊另一個奇異事物：我們需要一個前所未有的高能磁星，並且我們還想把它放在一個巨大的黑洞旁邊。但我們在我們自己的星系中確實有一個類似的例子。”然而，銀河系中心的磁星尚未被觀察到發出 FRB，而 FRB 往往來自更遠的地方。
FRB 的一個奇特特性證實了它們距離我們很遠——它們的無線電波在穿過充滿恆星和星系之間空間的電子雲時被“色散”了，其程度與它們到達地球的旅程長度成比例。 這意味著 FRB 可以成為宇宙結構的最佳探測器 ，讓研究人員不僅可以確定到任何給定 FRB 的距離，還可以確定沿其路徑在星際和星系際空間中存在多少中間物質。 但是，要充分實現這一革命性的潛力，天文學家必須更好地理解 FRB 的最初來源，以及唯一已知的重複爆發器 FRB 121102 是一個典型的例子還是一個偶然事件。
為了瞭解更多資訊，該團隊使用世界上最大的兩個射電望遠鏡，即波多黎各的阿雷西博天文臺和西弗吉尼亞州的格林班克望遠鏡，對該重複器進行了幾個月的定期監測。 FRB 121102 並非以精確的規律重複； 相反，它的爆發是間歇性的，而且到目前為止，無法精確預測。 該團隊最終捕獲並分析了 16 次爆發。 每次爆發的持續時間從 9 毫秒到 30 毫秒不等，這表明源的大小可能為 10 公里左右——一顆典型中子星的大小。
除了檢視每次射電暴的時間和色散外，研究人員還測量了其極化——爆發光上下、左右、垂直於其傳播方向的振盪方式。 當偏振無線電波穿過磁場和帶電粒子時，它們的偏振會像開瓶器一樣扭曲——粒子密度越大，磁場強度越大，扭曲就越大。 偏振測量表明，FRB 121102 的扭曲幅度巨大，可以與迄今為止從天體物理源看到的最大的扭曲幅度相媲美。 扭曲也在迅速變化，在大約半年的時間裡下降了 10%。 無論來源是什麼，它都必須是一個被緻密、高度磁化的等離子體雲（一種熱的電離氣體）包圍的緊湊物體，並以極高的速度移動。
“我們現在是否可以理解這種極端環境是如何與它是唯一已知的重複 FRB 這一事實相關的？”該研究的合著者、阿姆斯特丹大學和荷蘭射電天文研究所 ASTRON 的天文學家 Jason Hessels 問道。“也許這種極端環境包括可以像放大鏡一樣提高爆發亮度的結構。” 這些結構可能是穿過 FRB 源周圍雲的特別密集的等離子體觸手和結，所謂的“等離子體透鏡”會偶爾放大正在進行的無線電發射，以幫助產生重複。 如果沒有這種放大效應，重複爆發很難解釋——FRB 是如此強大，以至於許多模型表明它們的產生需要完全摧毀其來源，例如兩顆中子星的災難性碰撞。
FRB 121102 的真實本質的最早跡象可以追溯到 2017 年初，當時這個迄今為止獨一無二的 FRB 與距離地球約 30 億光年的矮星系中一個劇烈的恆星形成區域 明確聯絡起來。 這種矮星系富含自大約 140 億年前宇宙在大爆炸中誕生以來幾乎沒有變化的原始氣體，而這種氣體往往會形成特別大質量和短壽命的恆星，這些恆星透過以驚人的暴力方式爆炸而結束生命，成為“超亮超新星”。 反過來，這些爆炸可能會留下特別極端的殘餘物——例如恆星質量的黑洞，以及普通的中子星和它們超強的親屬，磁星。 此外，當天文學家放大矮星系內 FRB 的位置時，他們還看到了附近的其他東西——來自翻滾的等離子體雲的較柔和、較穩定的無線電輝光，這可能是最近形成的磁星超新星噴射出的物質，或者是被貪婪地吞噬的黑洞打嗝出來的物質。 當時沒有人知道 FRB 是否真的與這片雲有關； 這項最新的研究幾乎證實了它位於其中。
“去年的定位以一種非常直接的方式改變了遊戲規則，”該研究的合著者、康奈爾大學的天文學家吉姆·科德斯說。“這個最新的結果更深入地研究了 FRB 及其周圍環境，以告訴我們一些關於我們稱之為‘引擎’（產生這些高能射電暴的物體）的環境的資訊。” 科德斯和其他合著者說，這個可怕的引擎很可能是一顆不到一個世紀的磁星——與我們在銀河系中已知的那些被認為是在數千年前形成的磁星相比，它相對較新。如此年輕的磁星應該以極快的速度旋轉，可能每毫秒一次，但隨著它旋轉的磁場將大量能量傾瀉到超新星誕生後留下的周圍膨脹的等離子體殼中，它的旋轉速度將迅速下降。
“隨著磁星自旋減慢，它的磁場會移動。 而磁場如此之強，以至於它會帶著磁星鐵質的地殼一起移動，從而使地殼破裂，產生“星震”和耀斑，像活塞一樣將能量驅動到周圍動態的星雲中，”科德斯說。“這是一種可能性。” 他說，另一種可能性是磁星繞著一個巨大的黑洞執行，該黑洞正在吞噬大量的氣體和塵埃。 在更普遍的情況下，磁星可能會在其吞噬時定期穿過黑洞周圍的碎片盤和粒子噴流，被暴露在物質中，然後被強烈的磁場以高速噴射出去。 在這兩種情況下，結果都可能是重複的 FRB。 如果 FRB 121102 的扭曲極化繼續解開（遵循已經看到的半年內下降 10%），這將表明周圍的星雲正在緩慢膨脹和消散，支援第一種情況。 如果相反，它的周圍環境繼續顯示出劇烈的磁振盪，那麼這可能更好地證明了類似黑洞的情況。
儘管這些結果在解決 FRB 121102 的謎團方面取得了長足的進展，但 Chatterjee 說，它們仍然令人沮喪地對更大的問題保持沉默：所有 FRB 都來自同一種物理來源嗎？ 所有 FRB 都會重複嗎？ “這是一個‘先天與後天’的問題，”他說。“FRB 的本質是它們都起源於這種極端環境，還是這更像是後天的情況，其中一個 FRB 因為其極端環境、強磁場和等離子體透鏡效應而重複出現？ 這兩種可能性都仍然令人興奮地存在。”
更多的答案應該很快就會到來，透過現在上線的新的廣域射電望遠鏡，這些望遠鏡應該擅長檢測更多的 FRB，查明它們的宇宙起源並繪製它們可能的重複。 其中一個特別的望遠鏡稱為 CHIME（加拿大氫強度繪圖實驗），預計每天將檢測到少數幾個到幾十個 FRB，當它在今年晚些時候開始執行時，這將使天文學家對比以往更深入地窺視整個宇宙中 FRB 神秘的核心抱有新的希望。