夜晚的閃光：快速射電暴之謎

2007年初的一天，本科生大衛·納克維奇帶著一些訊息來找我們。 他是西弗吉尼亞大學的物理專業學生，我們兩人當時剛剛開始在那裡擔任助理教授的第一年。 我們給他的任務是檢查麥哲倫星雲的檔案觀測資料——麥哲倫星雲是銀河系的小衛星星系，距離地球約20萬光年。 納克維奇的性格很含蓄，那天也不例外。 “我發現了一些看起來很有趣的東西，”他漫不經心地說道，舉起一張訊號圖，該訊號比望遠鏡電子裝置的背景噪聲強100多倍。 起初，看起來他已經找到了我們正在尋找的東西：一種非常小、非常明亮的恆星，被稱為脈衝星。

這些緻密、帶磁性的恆星會射出光束，並在旋轉時掃過周圍，使恆星看起來像燈塔一樣“脈衝”閃爍。 天文學家當時知道近2000顆脈衝星，我們正在領導尋找遙遠且特別明亮的脈衝星。 這項搜尋依賴於我們其中一人（麥克勞克林）和她的研究生導師最近開發的軟體，用於搜尋無線電觀測中的單個脈衝。 該程式碼必須考慮到一種稱為脈衝色散的效應，其工作原理如下：當無線電波穿過太空時，星際介質中漂浮的自由電子會像稜鏡散射光一樣散射無線電波。 自由電子充當等離子體，較高頻率的無線電波穿過等離子體傳播速度更快，並且比低頻率的無線電波更早到達望遠鏡。 源離地球越遠，無線電波在其旅程中遇到的電子就越多，從而導致高頻和低頻無線電波之間的時間延遲更大。 因為我們不知道任何新脈衝星可能有多遠，所以該軟體掃描資料以尋找可能符合許多不同可能色散量（稱為色散量或DM）的訊號，以便我們可以確保捕獲各種可能距離的脈衝星。

在納克維奇發現時，他正在分析澳大利亞帕克斯射電望遠鏡五年前的觀測資料，該望遠鏡可以透過一次觀測天空中13個位置（稱為波束）來快速掃描大面積區域。 他目視檢查了軟體檢測到的訊號，以剔除超過99%的噪聲或人為干擾。 他發現的訊號令人費解，不僅因為它如此明亮，而且因為它來自小麥哲倫星雲以南幾度的天空區域，在那裡我們不會期望有任何與矮星系相關的脈衝星。 最令人驚訝的是，該訊號具有非常高的DM——比我們預期的銀河系中的任何東西高出許多倍，甚至比我們預期的與小麥哲倫星雲相關的DM高出50%。 這表明該源大約在30億光年之外，遠遠超出了我們本星系群的範圍。

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如果爆發真的來自如此遙遠的地方，那麼它一定是恐龍在地球上漫遊之前發出的。 光的有限速度和訊號的短持續時間告訴我們，它的來源不可能大於10光毫秒，或約3000公里——遠小於太陽140萬公里的直徑。 雖然脈衝星可以符合這個尺寸限制，但它釋放的能量將超過太陽一個月釋放的能量，並且超過最亮脈衝星脈衝的十億倍。

什麼樣的物體會造成如此壯觀的景象？ 我們的首要任務是確定脈衝是否可能是人為干擾產生的。 與脈衝星的閃光不同，這個脈衝似乎沒有重複； 在大約兩小時的觀測中，我們只發現了一個脈衝。 然而，更仔細的檢查表明，脈衝的各種頻率的到達時間完全遵循星際色散的預期模式，這對於干擾來說是非常不可能的巧合。 證明這種爆發是天體物理而非人為無線電訊號的另一個證據是，它似乎起源於天空中的一個點。 它在13個帕克斯接收器波束中的一個波束中顯示最亮，而在其他三個波束中檢測到它更微弱——這正是我們對天體訊號的預期。 相比之下，附近的人為干擾通常會出現在所有13個波束中。

看來納克維奇實際上偶然發現了一些全新的東西——一種宇宙訊號，它將佔據我們越來越多的研究重點，並困擾整個天文學界。 我們認為，這種奇怪的訊號可能不是同類訊號中的唯一一個。 根據帕克斯觀測的持續時間和視場，我們估計每天可能有數百個如此明亮的無線電爆發在整個天空中發生，而未被注意到。 2007年晚些時候，我們發表了一篇論文，假設該事件是一種起源不明的新型無線電源的原型。 我們推測，如果我們能夠識別和理解它們，我們不僅可以瞭解一種新型的宇宙事件，而且我們可以透過色散測量來估計它們的距離，並利用它們來完成像繪製宇宙的大尺度結構這樣宏偉的事情。 但首先我們必須證明爆發是真實的——這是一場將經歷許多令人驚訝的轉折並且幾乎以撤退告終的探索。

真相還是虛構？

起初，其他研究人員對我們的發現——很快被暱稱為“洛裡默爆發”——感到好奇，並開始提出關於其起源的解釋，並尋找更多類似的爆發。

在我們的發現之後不久，斯威本科技大學（位於墨爾本）的馬修·拜爾斯，也是我們發現論文的合著者之一，使用帕克斯望遠鏡對洛裡默爆發的天空區域進行了90小時的觀測。 但他沒有發現任何其他閃光的證據。 這種後續觀測必然發生在顯示原始爆發的檔案觀測六年之後，因此它並沒有排除在原始觀測附近數小時甚至數年的時間尺度上多次爆發的可能性。

因此，拜爾斯和他的當時的博士生莎拉·伯克-斯波拉爾使用來自帕克斯的更多檔案資料，但在天空的不同區域進行了另一次搜尋。 在2010年發表的一篇論文中，他們報告發現了16個事件，這些事件與洛裡默爆發有許多共同特徵。 事實上，有些事件具有幾乎相同的DM以及相似的持續時間和脈衝形狀。 然而，有一個顯著的差異：每個新發現的爆發都出現在帕克斯接收器的所有13個波束中，這強烈表明它們不可能與太空中的某個源相關聯。 相反，它們一定起源於地面或大氣層——例如，閃電。 為了識別這些來源的偽裝性質，伯克-斯波拉爾和拜爾斯將它們稱為“佩裡頓”，以神話中投射人類陰影的有翼雄鹿命名。

佩裡頓的發現使許多科學家對洛裡默爆發持懷疑態度。 隨著進一步的無線電巡天未能捕獲到任何其他爆發，大多數天文學家開始懷疑洛裡默爆發也是一個佩裡頓。 推測訊號性質的論文數量開始減少。 在2011年的一次會議上，甚至有人舉手表決，看看有多少觀眾相信洛裡默爆發是真實的。 我們其中一人（洛裡默）坐在前排，不敢回頭看其餘的觀眾，看看投票結果！

在最初探測到四年後，麥克勞克林與一位博士後和一位本科生一起，在一個大型無線電脈衝星巡天中搜索了更多的爆發。 在沒有發現任何其他類似事件後，甚至她也開始懷疑洛裡默爆發。 事實上，她和她的合作者寫了一篇論文，聲稱它不太可能是天體物理的——這個結論現在讓人感到尷尬。

但在此時，該領域得到了驚人的重振。 第一個有希望的事件發生在2012年，當時現在位於英格蘭曼徹斯特平方公里陣列組織的埃文·基恩偶然發現了帕克斯檔案資料中的另一次高度色散爆發。 與此同時，拜爾斯一直在領導一項工作，該工作用最先進的數字儀器升級了帕克斯望遠鏡，為高度色散爆發提供了前所未有的靈敏度。 他的熱情得到了回報：2013年，研究人員在新的帕克斯巡天中發現了另外四次具有各種各樣DM的爆發。 在討論這項巡天的第一批結果的論文中，由當時的博士生丹·桑頓（當時在曼徹斯特大學）領導，科學家們將這些事件描述為快速射電暴（FRB），以紀念它們的短持續時間。 至關重要的是，與佩裡頓不同，這四次爆發僅在一個波束中被檢測到，這使它們與天文起源而非地球干擾相符。

隨著這些發現，快速射電暴的天體物理性質變得越來越確定。 然後，在2015年，當時在斯威本的艾米麗·彼得羅夫和她的同事發表的一篇論文中，以一種救贖和幽默的方式表明，帕克斯佩裡頓主要發生在午餐時間左右，當時不耐煩的天文學家在微波爐完全關閉之前就打開了它。 令人欣慰的是，洛裡默爆發和其他快速射電暴的發生時間都沒有與飢餓的科學家的午餐習慣重疊。

重複閃爍

很快，由於越來越多的研究人員在許多望遠鏡上進行的專門搜尋，更多的快速射電暴觀測開始湧現。 西弗吉尼亞州的綠岸望遠鏡在無線電頻譜的不同頻率範圍內捕獲到一個快速射電暴，與洛裡默爆發不同，這提供了更多證據表明該爆發是真實的，而不是某些調諧到原始頻段的接收器的特殊性造成的。

2016年，劇情變得更加複雜，當時由德國波恩的馬克斯·普朗克射電天文研究所的勞拉·斯皮特勒領導的一個團隊報告稱，他們探測到來自一次爆發的重複閃爍，該爆發最初是在2012年在波多黎各的阿雷西博天文臺獲取的資料中看到的。 在此之前，天文學家通常認為這些是一次性事件。 但在最初的發現（稱為FRB 121102）大約三年後，斯皮特勒和她的同事看到了另外10次爆發。 這些爆發的到達時間似乎不是週期性的，並且無線電脈衝的精確持續時間和其他特徵各不相同。

這一發現引發了全球範圍內使用射電望遠鏡進行後續觀測的多項活動。 其中一項活動使用了位於新墨西哥州的甚大陣列（VLA），這是一個由27個射電天線串聯觀測的集合，定期在與FRB 121102相同的天空區域搜尋毫秒時間尺度的事件。 這項巡天具有獨特的能力，可以比單個射電天線精確幾個數量級地精確定位無線電爆發在天空中的位置。 經過大約六個月的觀測，由康奈爾大學的沙米·查特吉領導的團隊發現並定位了一次爆發。 很快，透過甚長基線干涉測量技術，對這個快速射電暴進行了更精確的定位，該技術將來自世界各地多個望遠鏡的訊號組合起來，合成了更大的虛擬望遠鏡，在天空中具有極高的解析度。 由荷蘭聯合VLBI ERIC研究所（JIVE）的貝尼託·馬科特和他的同事領導的這項發現，將來自FRB 121102的重複爆發精確定位在小於一角秒（1度的1/3600）的不確定度範圍內。

這是天文學家首次在天空中為快速射電暴找到如此精確的位置——這隨後使科學家能夠找到爆發的源星系。 由麥吉爾大學的什裡哈什·滕杜爾卡領導的一個團隊將FRB 121102追溯到一個矮星系，該星系的質量大約是銀河系的2萬分之一，並且距離比已知最遙遠的脈衝星遠約2萬倍。 這些發現比以往任何時候都更堅定地確立了快速射電暴是強大且極其遙遠的現象。

尋找來源

到目前為止，我們已經確定快速射電暴是真實的宇宙現象，但要弄清楚是什麼原因導致了它們，我們還有很長的路要走。

一個主要問題是，這些爆發是起源於一次性事件（如超新星）還是來自永續性物體，如週期性發射明亮閃光的脈衝星。 重複爆發FRB 121102的案例表明是後者。 雖然它是天文學家迄今為止檢測到多次爆發的唯一快速射電暴，但所有快速射電暴都可能重複，並且從其他快速射電暴中看到的孤立爆發代表了能量分佈中最亮的爆發。 在這種情況下，我們將排除單次事件，並尋找持久的宇宙源。

在這個類別中，許多科學家贊成涉及緻密星（如脈衝星）的解釋。 這些物體是在一顆大恆星在超新星中死亡，並且其大部分質量向自身坍縮時產生的。 這種奇異物體的密度變得如此之大，以至於即使原子也無法承受擠壓，它們的質子和電子擠壓在一起變成中子。 最終產物是一顆寬度與曼哈頓相當，幾乎完全由中子組成的恆星，稱為中子星。 這些恆星旋轉速度極快，並從兩極發出光線。 我們一直在討論的脈衝星發生在這些光束指向地球時，我們看到光線脈衝閃爍。 從FRB 121102看到的重複爆發具有與年輕中子星發出的極高能量脈衝大致一致的特性。 因此，快速射電暴最終可能畢竟只是脈衝星——儘管是一種罕見且特別強大的形式。

一個密切相關的想法是，快速射電暴可能來自所謂的磁星：高度磁化的、緩慢旋轉的中子星，其發射由它們的磁能而不是它們的旋轉驅動。 VLA對FRB 121102的觀測中一個有趣的方面是在宿主星系中存在持續的明亮無線電光，這與快速射電暴爆發不同。 天文學家推測，這種無線電光是一個活躍的星系核——一個正在吞噬恆星和氣體的超大質量黑洞——而快速射電暴是由磁星和這個星系核之間的相互作用產生的。

這個想法的一個變體是，重複爆發來自磁星，但該磁星被埋在幾十年前發生的超亮超新星（能量約為典型超新星的10倍）爆炸的緻密殘骸中。 一組研究人員注意到，FRB 121102的宿主星系與那些容納被稱為伽馬射線暴的現象的星系相似，而伽馬射線暴被認為與超亮超新星期間形成的極年輕的磁星有關。 最近，該團隊測量了沿FRB 121102視線方向的磁場。 這些觀測表明，無論其來源如何，FRB 121102都必須位於相對高度磁化的區域，例如緻密的超新星遺蹟中或星系核心的超大質量黑洞周圍。

但我們還不能排除一次性事件。 也許有些爆發會重複，而有些則不會，這表明不同的快速射電暴有各種各樣的起源來源。 事實上，一項由當時在內華達大學拉斯維加斯分校的迪維亞·帕拉尼斯瓦米領導的新研究表明，如果所有快速射電暴都以FRB 121102中觀察到的速率重複，那麼我們應該在其他幾種情況下看到多次事件。 因此，考慮某些快速射電暴起源於一次性災難性事件可能更合理。 這給我們留下了一些候選來源。

首當其衝的是兩顆中子星的碰撞。 這種碰撞可能會在兩顆緻密星合併形成一個巨大的黑洞時釋放出強大的衝擊波。 一次性事件的第二個可能性是特別高能量的超新星的爆發。

理論家們也提出了更奇特的建議。 其中之一是宇宙弦的想法——理論上認為是在早期宇宙中形成的太空和時間的拓撲缺陷。 這些扭曲會以光速穿過宇宙，當時的宇宙充滿了熱等離子體，並在與等離子體相互作用時產生火花。 儘管目前的觀測並未排除這些火花是快速射電暴的理論，但這仍然是高度推測性的。 科學家們還指出了所謂的原始黑洞——宇宙誕生時產生的小黑洞，迄今為止尚未被探測到。 如果這些原始黑洞之一自發蒸發，它可能會釋放出可能與快速射電暴訊號匹配的輻射。 如果這些想法中的任何一個被證明是正確的，那麼洛裡默爆發將是這些奇異現象的第一個觀測證據。

繪製天空地圖

經過十年的工作，由於新的和升級的望遠鏡，快速射電暴科學領域現在已準備好進入變革階段。 廣視場的澳大利亞平方公里陣列探路者望遠鏡於2012年開放，並很快開始發現快速射電暴。 截至撰寫本文時，已知有50次爆發。 現有的設施，如VLA和悉尼大學的莫隆洛射電望遠鏡正在進行翻新，以大大提高靈敏度和天空覆蓋範圍。 即將上線的新的和改進的射電望遠鏡設施——加拿大氫強度測繪實驗和中國的五百米口徑球面射電望遠鏡（FAST）等——應顯著增加我們的快速射電暴樣本，並提供對源種群的更好理解。

一些新型望遠鏡可以即時以角秒精度定位快速射電暴，從而大大增強了我們在天空中定位它們的能力。 這種位置資訊使我們能夠快速跟進其他波長的觀測，以搜尋爆發的宿主星系。 更令人興奮的是，一些快速射電暴模型，如中子星合併，預測它們也應該釋放引力波。

令人驚訝的是，天文學家現在可以在雷射干涉引力波天文臺（LIGO）探測到時空中的這些漣漪，該天文臺在2015年首次獲得了諾貝爾獎級別的引力波發現。 藉助這項新技術，現在有可能聯合探測來自這些來源的光和引力波。 這樣的探測將允許測量快速射電暴的特性——例如爆發源的質量——這些特性透過其他方式是根本無法獲得的。 我們預計很快將在發現和理解這些宇宙信使方面取得重大進展。

如果我們真的能夠解開快速射電暴的身份和起源之謎，我們或許能夠利用這些新訊號來完成一個雄心勃勃的專案：繪製宇宙地圖。 天文學家仍處於跟蹤物質如何在空間中擴散和視覺化其形成的大尺度結構的早期階段。 快速射電暴可以為我們的宇宙製圖工作提供很大的幫助。 它們是我們所知的唯一具有足夠短的時間尺度來測量星系際色散，從而確定我們視線方向上的物質密度的河外源。 星系際介質中的密度是對宇宙大尺度結構各種模型的關鍵預測，因此來自快速射電暴的資訊可以讓我們測試哪些模型是正確的。

既然我們已經在全球範圍內擁有了遍佈天空的快速射電暴探測陣列，並且擁有獨立的距離測量，這項工作將為我們對宇宙如何形成和演化的基本理解提供新的測試。 納克維奇最初的發現確實被證明“非常有趣”。