比整个星系还要亮的短暂能量爆发，什么是快速射电暴仍然是个谜？

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这个动画展示了快速的射电爆发在地球上出现和消失。(图片鸣谢:t . Jarrett(IPAC/加州理工)；NRAO萨克斯顿/AUI/国家科学基金会)

（）据美国太空网（罗伯特·李）：快速射电爆发——比整个星系还要亮的短暂能量爆发——仍然是个谜。以下是我们对FRB的了解和不了解。

快速射电爆发(FRB)是一种强烈的无线电波爆炸，可以释放出相当于太阳三天所释放的能量——但时间只有千分之一秒。这些事件的大部分仍然是神秘的。

FRB来自天空各处，频率约为1400赫兹，尽管有些频率低至400到800赫兹。一些科学家估计，地球上空每天会随机出现10，000个FRB。然而，大多数FRB只能持续几毫秒，当它们的能量到达地球时，它比从月球发射并在地球上检测到的手机信号弱1000倍。因为这些信号如此微弱和短暂，FRB很难被发现。

因此，许多关于FRB的信息仍然是未知的。科学家们不知道到底是什么导致了FRB。提议的候选者包括磁星，具有强大磁场的快速旋转中子星；融合了被称为白矮星的暗淡致密的恒星残骸；坍缩中子星，或称“闪电星”；和碰撞的星系。

然而，一些关于FRB的事情是确定的。首先，它们的来源本身必须是高能量的，当它们旅行时，这些短暂的无线电波爆炸可以收集关于宇宙环境的信息，比如它们穿过的星际气体云。这使得研究FRB成为想要绘制宇宙地图的天文学家们迫切关注的问题。

快速无线电突发常见问题



艺术家对快速无线电波到达地球的印象，颜色代表不同的波长。(图片鸣谢:北京天文馆景川余)

什么是快速无线电突发信号？

快速射电爆发是在无线电波频率中看到的明亮而短暂的电磁辐射(光)爆发。它们通常持续千分之一秒。有些FRB会重复，但绝大多数只会发生一次，然后永远消失。

是什么导致了快速射电爆发？

科学家们并不确定是什么导致了快速射电爆发，但他们提出了一些可能的怀疑，包括被称为磁星的高磁性中子星，碰撞的中子星双星，以及合并的白矮星。

快速射电爆发的威力有多大？

在它们的源头，快速射电爆发具有很大的能量:在一毫秒内，一些FRB可以爆发出相当于太阳在三个地球日内发出的能量。然而，因为它们来自数十亿光年之外，FRB在行进中会失去能量，所以当它们到达地球时，它们的能量要小得多。当射电望远镜发现来自地球的FRB时，信号强度类似于来自月球的手机信号。

快速射电爆发发现

澳洲的巴夏礼天文台在2001年首次探测到一个爆发自银河系的卫星星系小麦哲伦云的FRB。然而，这一事件直到2007年才被发现，当时天体物理学家邓肯·洛里梅和他的同事在天文台的档案数据中发现了它。

同年，洛里梅和他的同事在一篇论文中将FRB描述为“起源于河外的明亮毫秒射电爆发”。第一个公认的FRB后来以他的名字命名为“洛里梅爆发”,但它被正式命名为FRB 010724。洛里梅爆发持续了大约5毫秒，并且没有重复，仍然是迄今为止探测到的最亮的FRB之一——这一点已经通过进一步的研究得到了证实。

第二个被探测到的FRB——基恩爆发，或FRB 010621——是在2011年巴夏礼多波束脉冲星调查的数据中观测到的。

2012年，波多黎各的阿雷西博天文台(Arecibo Observatory)发现了第一个重复的FRB，命名为FRB 121102。这一发现证实，至少在某些情况下，这些强大的辐射爆炸源在那次发射中幸存了下来。这排除了许多灾难性的FRB模型，或者至少排除了罕见的重复性FRB模型。



这张图片显示了巴夏礼射电望远镜正在接收一个FRB信号。(图片来源:史文朋天文制作公司)

FRB 121102似乎来自30亿光年以外的星系，它的发现也很重要，因为它标志着除了巴夏礼天文台以外的望远镜首次发现了FRB。这有助于确认这些事件不是澳大利亚天文台特有的环境怪癖的结果。

根据加州理工学院的说法，第二年，“快速射电爆发”一词被创造出来描述这种类型的事件。

虽然这些FRB是最先被发现的，但它们绝不是最早出现的FRB。2022年6月，天文学家使用澳大利亚平方公里阵列探路者，一种由36个12米(39英尺)天线组成的无线电干涉仪，发现了一个源于130亿光年之外的FRB。这使得被命名为FRB 20220610A的爆发成为FRB见过的最遥远——也是最早的——有可能在宇宙不到10亿岁时发起。

然而，并非所有的FRB都如此疏远。上面描述的FRB——以及迄今为止发现的绝大多数FRB——起源于银河系之外的星系。所以另一个重要的发现是发现了在我们自己的星系中出现的这样一个爆炸事件。

这次爆发被命名为FRB 200428，于2020年4月被加拿大氢强度测绘实验(CHIME)和瞬态天文无线电发射2号调查(STARE2)发现，这是一个由加利福尼亚州和犹他州的三个无线电天线组成的阵列。它只持续了1.5毫秒，从仅3万光年之外的地方出现，朝着我们银河系的中心。

迄今为止见过的最长的FRB是FRB 20191221A，它是科学家在2019年使用CHIME首次发现的。这种FRB持续了三秒钟，比一般的FRB长了大约1000倍。它也有周期性的峰值，发现者将其比作宇宙的“心跳”

快速射电爆发会重复吗？

重复和非重复FRB之间有明显的区别。

自从它们被发现以来，已经观察到超过1000个FRB。根据麦吉尔大学的数据，直到2017年，即发现洛里梅爆发10年后，只发现了140个FRB。多亏了CHIME，仅在2021年就发现了令人难以置信的535个FRB。

迄今为止发现的绝大多数FRB是不重复的。例如，在535个探测到钟声FRB的集群中，只有18个是重复的。2023年4月，利用CHIME，天文学家将已知重复FRB的数量从25个增加到50个。

重复FRB的缺乏，加上它们极其短暂的性质，使这些爆发的起源一直笼罩在神秘之中，因为天文学家无法使用第二个实例来更好地确定FRB来自哪里。

一些研究人员认为，FRB星表可能缺少重复的FRB，仅仅是因为我们研究天空的时间还不够长，不足以检测到许多重复出现的事件。然而，重复的FRB似乎在某些方面不同于非重复的FRB。例如，根据麦吉尔大学的说法，重复FRB似乎持续更长时间，但比非重复FRB在更窄的无线电波频率范围内出现，这表明重复和非重复FRB来自不同的来源。

是什么导致了快速射电爆发？

天文学家并不完全确定是什么导致了快速射电爆发，但有一些关于其来源的线索。因为FRB只持续几毫秒，所以它们可能来自非常紧凑的对象；光必须在FRB达到峰值然后消失的同一时间内穿过物体。FRB的能量表明他们可能坐在暴力和充满能量的环境中。

这些线索使科学家们提出致密恒星残余，如白矮星和中子星，作为FRB来源的候选。FRB的一个主要来源是磁星，这是一种快速旋转的中子星，拥有已知宇宙中最强大的磁场。

像所有的中子星一样，磁星诞生于大质量恒星在其生命末期，当核聚变的燃料耗尽时坍缩。恒星的外层脱落，留下一个质量与太阳相当的恒星核心。这坍缩到地球上一个城市的宽度，留下了一个直径超过12到20英里的恒星残骸——中子星。

但因为角动量在物理学中是守恒的，这种快速收缩也导致中子星“旋转起来”，并以每秒700次的速度旋转。它还将垂死恒星的磁场线挤压得更近，更近的磁场线意味着更强的磁场。所有的中子星都有很强的磁性，但是大约1%的中子星拥有已知宇宙中最强的磁场，这些被称为磁星。根据美国宇航局的说法，磁星的磁场可能比地球的磁气圈强一千万亿倍。这些强大的磁场可能导致磁星爆发，进而导致FRB。



磁星的图解说明，它是发射FRB的主要嫌疑犯。(图片来源:NASA)

这个起源模型的有力证据来自2020年，当时银河系无线电波爆炸FRB 200428被追踪到磁星SGR 1935+2154。这项探测工作背后的团队还发现，FRB 200428与X射线爆发相对应，这表明有利于磁星爆发和耀斑引起的电磁辐射脉冲的发射模型可能是FRB的原因。研究人员说，磁星将在这次发射中幸存下来，这可以解释为什么一些FRB会重复出现。

中子星的碰撞和随后的合并也被认为是FRB的一个可能来源。当中子星相互撞击时，这种碰撞留下了一个高度磁化的“超大质量致密物体”，它迅速坍缩成黑洞，喷射出超大质量黑洞前身物体的磁层，从而导致FRB。

这个想法得到了2022年探测到的一个FRB的支持，这个FRB似乎与中子星合并发出的引力波有关。这种合并将是一次性事件，可能会导致不重复的财务报告准则。然而，这无法解释为什么有些财务报告准则会重复。

根据行星协会的说法，另一个可能的“崩溃场景”是关于FRB的产生，与“闪电”有关。这种强烈的无线电波爆发是由一颗超大质量中子星的突然坍缩引起的，这颗中子星本应立即坍缩成黑洞，但却受到了自身快速旋转的保护。

白矮星是当像太阳这样的低质量恒星耗尽核聚变所需的氢时形成的，当它们碰撞和合并时，可能会产生高度磁化的恒星。这些碰撞也可能引发称为Ia型超新星的宇宙爆炸，如果这些超新星和FRB之间存在联系，就可以发现这种爆炸。也有可能白矮星与中子星的碰撞产生了磁星，导致了FRB。

根据行星协会的说法，一种外部的可能性表明，FRB实际上并不来自银河系以外的来源，而来自河外来源的外观是在这些射电爆发穿过恒星周围厚厚的等离子体介质时产生的。这将意味着FRB是银河系中闪耀恒星的结果，如果FRB被发现与我们银河系中的变星有关，这一点就可以得到证明。但是这种联系还没有显现出来。

快速无线电突发专家问答

我们就快速射电爆发问题采访了科廷大学天体物理学硕士研究生亚历克斯·莫罗亚努。

亚历克斯·莫罗亚努
天体物理学家

Alex Moroianu是科廷大学的天体物理学硕士毕业生。2023年3月，Moroianu在《自然》杂志上发表了一篇论文，帮助解开了围绕快速射电爆发的一些谜团。

你的研究如何与快速射电爆发联系起来？

我们的研究集中在测试快速射电爆发的源头。目前，主要的候选源是年轻活跃的磁星(高磁化中子星)。

还有其他可能的快速射电爆发源吗？

快速射电爆发的特性——即中继器和非中继器之间的差异——意味着可能有多个来源。致密天体合并(即黑洞和/或中子星之间的合并)长期以来被认为是潜在的FRB源。

如何证明黑洞合并和快速射电爆发之间的联系？

我们的研究寻找这种致密天体合并发出的引力波和快速射电爆发之间的巧合，以调查它们是否相关。然而，重要的是要注意，如果发现它们是相关的，紧凑对象合并只能解释大约1%的FRB。那是非常聪明的复读生。因此，我们仍然需要调用活跃的磁星和其他潜在的来源来解释其余的99%左右。

为什么快速射电爆发被认为是神秘的？

快速射电爆发是神秘的，因为即使我们在过去的几十年里探测到了数百次，我们仍然不能完全确定它们来自哪里！