小天最近聽說，有天文學家首次觀測到了具有穩定週期的快速射電暴（FRB），這也是唯一已知的此類快速射電暴，以16天為週期循環出現，對該快速射電暴的發現和解釋一旦確認，或將會帶來革命性影響。聽起來這麼厲害，自然要來解讀一番，聽聽國家天文臺陳學雷研究員怎麼說～
Q：什麼是快速射電暴？最早是什麼時候發現的？
陳學雷：快速射電暴（英文簡稱FRB)是一種在天空中突然出現的射電爆發，短時間內可以達到相當高的亮度，但一般持續時間只有毫秒量級。
這種現象最初是美國天文學家洛裡默（Lorimer）在分析澳大利亞帕克斯（Parkes）望遠鏡於2001年進行觀測記錄的數據時發現的。洛裡默在2007年發表了這一結果，但因為當時只有一個孤例，因此人們對於其真實性還持懷疑態度。2012年到2013年前後，人們又發現了多起類似事件，特別是索頓（Thorton）等人在2013年的論文中公佈了4例FRB後，人們認識到這應該是種常見現象，於是開始積極搜尋FRB，目前已經發現了很多。
圖1：由Duncan Lorimer發現的第一個快速射電暴FRB 010724 （Lorimer et al. 2007, Science, 318, 777L）
Q：這次發現的快速射電暴有哪些特點？
陳學雷：此前人們觀測到的大部分快速射電暴是不重複的，少數雖然重複爆發，但爆發的時間是隨機的，看不出明顯的規律性。這次的FRB是最早於2018年發現的，經過從2018年9月16日到2019年10月31日的持續觀測，加拿大CHIME FRB團隊發現其爆發中存在顯著的週期性，週期為16.35天。也就是說，每隔16.35天，就會有一段爆發比較頻繁發生的時間。
圖2：CHIME望遠鏡
Q：它的源頭是位於約5億光年外的一個漩渦星系中，科學家是如何判斷它的位置的？
陳學雷：對於快速射電暴，目前在首次發現的時候人們往往並不能精確定位，這是因為發現射電暴的望遠鏡往往追求大視場，相當於廣角鏡頭，角分辨率一般不是很高，只是粗略知道其方位。這時也可以從單次觀測數據中粗略估計其距離，因為電波在穿過宇宙空間中的等離子體時會發生色散現象，也就是說頻率高的信號會比頻率低的信號早一點到達，傳播的距離越遠，穿過的等離子體越多，色散就會越強烈。因此根據不同頻率信號到達的時間差，就可以估計出色散量，進而估計其距離，但是這種估計往往有較大誤差，因為等離子體的分佈並不是完全均勻的，有的地方多一些，有的地方少一些。
圖3：不同頻率電磁波受色散影響，到達探測器的時間不同 圖片來自：https://phys.org/news/2018-04-fast-radio.html
對於重複射電暴，人們既然知道其頻繁發生，就可以調用角分辨率更高的望遠鏡進行監視，從而更精確地測定其方位。像這一個，人們對它的角測量精度就足夠高，從而能看出它在某個旋渦星系中。
Q：目前認為快速射電暴的產生與什麼有關？為什麼？
陳學雷：目前人們還不能完全確定快速射電暴的產生機制，學者們已經提出了幾十種不同的理論模型。不過，大部分理論模型與緻密天體特別是中子星有關。這是因為，快速射電暴持續時間非常短，亮度又非常高，這要求有一種能在很短時間、很小的空間尺度上釋放大量能量的機制，而且我們往往看到射電輻射而沒有看到其它波段的輻射，說明這種輻射不是通常的高溫輻射，而是一種相干激發的電磁場輻射。
中子星體積小（半徑是幾十公里量級）、密度高、快速旋轉，並往往伴有極高強度的磁場，如果產生這種強烈的相干輻射是不太令人意外的。當然，目前這仍然還是一些假說，到底是不是由中子星產生的輻射，產生的具體機制，有沒有多種起源，這些問題都還需要進一步研究。
Q：研究快速射電暴有哪些難點？此次發現穩定週期快速射電暴有哪些意義？
陳學雷：現在已公佈的重複快速射電暴已經有二十多個了，另外據說還有一些尚未公佈。那些未重複的快速射電暴是真的完全不重複？還是其實也重複但只是因為發生頻率太低沒有被發現？目前我們還並不清楚。當然，研究快速射電暴的一個難點就在於從單個事件數據裡能推測出的信息太少，所以重複暴具有很大價值，一方面更精確的定位使我們瞭解它所處的星系和在星系中的位置，另一方面從其重複爆發的亮度、時間等分佈也可以分析其爆發機制。
此次發現的穩定週期當然很有意義。我們知道，天文學的起源其實就來自人類對週期性的認識：日出日落、月亮的盈缺、四季的變換、行星的會合等等，因此可以說週期性是天文學家最重要的觀測線索之一。就本次而言，如何產生這種十幾天的週期性？人們目前有一些不同的推測：有可能快速射電暴的源是處在雙星系統中的中子星，那麼雙星的公轉就提供了一種週期性的起源；孤立的中子星也有可能存在轉動軸的進動，從而導致週期性。這些都有待進一步的研究驗證，但顯然這種週期性提供了重要的線索。（蔡琳）
受訪專家：陳學雷，中國科學院國家天文臺研究員，主要從事暗物質、暗能量、星系大尺度結構等宇宙學研究。
閱讀更多 光明科普 的文章
