中國天眼這項重大發現,讓我們更好理解宇宙起源 | 新京報專欄

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對快速射電暴的研究,或許有助於我們更好地理解宇宙的起源。

中國天眼這項重大發現,讓我們更好理解宇宙起源 | 新京報專欄

2021年3月29日在維護保養期間拍攝的被譽為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)。圖/新華社

文 |

長橋

3月18日,國際著名的《科學》雜誌刊發了快速射電暴研究的新進展。這是一項由“中國天眼”FAST與之江實驗室科學家聯手取得的最新科研成果。訊息經由媒體報道後,引發了輿論廣泛關注。

然而,中國天眼到底獲得了什麼新發現,這一發現有什麼意義?新聞報道均語焉不詳,但很多天文愛好者又很關心。

什麼是“快速射電暴”?

快速射電暴的字面意義非常好理解。快速,是指持續的時間極為短暫,一次快速射電暴往往只持續千分之一秒到百萬分之一秒。

“射電”是天文學的專用名詞,其他學科一般稱為無線電波。地球大氣層雖然有云霧和氣體分子遮擋,但對無線電波卻是透明的,所以用射電望遠鏡可以接收到來自宇宙深處的無線電波。

“暴”也是天文學常用的名詞,除了射電暴,還有伽馬暴,差別在於爆發的能量集中在電磁波譜的不同波段。一次快速射電暴釋放的能量,相當於太陽在1天中釋放的能量總和。

快速射電暴是指在極短的時間內釋放出巨大能量的天文現象。因其只在無線電波段有能量的集中爆發,而在人類更容易感知的光學波段,卻沒有異常現象,所以無法藉助光學望遠鏡進行觀測。

快速射電暴這種極端現象到底是如何產生的,是這些年天文界關注的前沿課題。各國的天文學家先後提出了十幾種不同的理論假說,來解釋其成因。

但究竟哪一種理論更接近真實的物理過程,一方面要收集到足夠多的案例進行統計分析,另一方面也有賴於觀測精度的提升。也就是說,既要見多識廣,更要耳聰目明,才能搞清楚這種神秘現象的成因。

加拿大的CHIME望遠鏡於2017年開始觀測,原本計劃的研究目標是宇宙學,但在巡天過程中,發現了數百個快速射電暴,從中又發現了一批重複爆發的快速射電暴(重複暴),被稱為快速射電暴的收割機。

一些天文學家曾經以為快速射電暴是一次性發作,也被因此證明是不對的。重複暴的發現,為中國天眼提供了施展“才華”的舞臺。因為,中國天眼的最大優勢就在於靈敏度高,擁有像鷹一樣的眼睛,目力極強。

何以暴露“藏身之地”?

宇宙是一個天然的巨型實驗室,人類能夠創造的實驗條件,與宇宙中的極端條件完全無法比擬。因此,從某種意義上說,天文觀測是科學家在觀察宇宙中的實驗現象,希望從中發現天文現象背後的原因。

此次,天文學家利用中國天眼對這些重複暴的觀測,結合美國的綠岸望遠鏡、澳大利亞平方公里陣列先導陣(ASKAP)等其他望遠鏡的觀測結果,提出了一種物理機制,可以準確鎖定重複暴的“案發現場”。

天文學家發現,重複暴形成於超新星爆發留下的遺蹟中。而1054年,我國宋朝天文學家觀測到夜空中的某個方向突然變亮並記錄下來,成為歷史上首次記錄的超新星爆發目擊事件。我們現在觀測到的蟹狀星雲,就是那次超新星爆發留下的遺蹟。

那麼,天文學家又是靠什麼“刑偵手段”,發現重複暴與超新星爆發遺蹟之間的關係的呢?

原來,超新星爆發後,會形成一大片由緻密的自由電子氣體組成的星雲物質,呈現出纖維狀、不均勻分佈的結構,其中會形成中子星。如果中子星由於某種原因受到擾動,就會發出一陣強烈輻射,這就是快速射電暴。

這種強烈輻射要在星雲中經過複雜的散射,才能穿透進入星際空間,以光速飛向地球。無線電波在穿過星雲時,一些訊號特徵會發生改變,正是這些特徵變化,暴露了重複暴的藏身之地。

宇宙之大,無奇不有。解決了一個問題,就會有更多的問題產生。接下來,天文學家要面對的問題是,重複暴是不是真的就像上面說的那樣產生的,還是有其他的物理機制,需要收集更多的案例進行驗證。

此外,由於快速射電暴持續的時間極短,產生的能量極大,與宇宙起源時的大爆炸過程存在某種相似性。因此,對快速射電暴的研究,或許有助於我們更好地理解宇宙的起源。

期待春暖花開之後,中國天眼能獲得更多的新發現,成為用科學鼓舞人類前行的一股力量。

新京報特約撰稿人 | 長橋(天文科普作家)

編輯 | 遲道華

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