神秘信号的十种可能性

神秘信号的十种可能性

在2007年的时候,天文学家从六年前的观测记录中发现了一个强烈而短促的射电信号,并将其命名为快速射电暴。之所以称它“快”,是因为它是一种毫秒级的射电闪光。它们很可能来自宇宙的深处,在遥远的银河系之外像烟花一样绽放。在一毫秒的时间内,能释放出相当于太阳80多年才能释放的能量。但快速射电暴来自哪里呢?天文学家一直对这种神秘的现象困惑不已。

这种困惑的部分原因是从2007年至今,人们只观测到了几十个快速射电暴。在2013年之前,许多天体物理学家甚至怀疑它们是否真的存在。

过去,大多数快速射电暴似乎转瞬即逝,从不重复,因此天文学家认为,它们可能是由宇宙中的一些灾难性事件引起的,比如恒星的死亡或两个黑洞的合并。

○ CHIME射电望远镜。| 图片来源:Andre Renard/Dunlap Institute/CHIME Collaboration


但到了2016年,由德国的射电天文学家Laura Spitler领导的一个研究小组宣布,他们发现了首个已知的重复快速射电暴。这表明,至少有一些快速射电暴是通过一种破坏性较低的机制产生的。到了2019年初,加拿大的新型射电望远镜CHIME宣布发现了13个新的快速射电暴,其中一个是第二例重复快速射电暴。

如果将快速射电暴比喻成一场“犯罪”,那么嫌疑犯就是一种能释放大量能量的天体物理怪兽;武器则能将这种能量转换成一种明亮的、匪夷所思的、不寻常的射电信号。据统计,为了寻找“嫌疑犯”,科学家已经提出了48个理论。


究竟是什么产生了快速射电暴?我们来看一下科学家脑海中闪过的10个想法:

1. 来自我们自己?


17年来,澳大利亚帕克斯天文台的射电望远镜观测到了神秘的闪烁信号,每次的信号都一样明亮,但其他任何望远镜都没有观测到这些信号。研究人员将这些信号命名为“鹿鹰兽”,他们发现,这些信号更多地出现在中午。最终,他们找到了神秘信号的源头——一个被提前打开的微波炉的门。

最初,人们以为快速射电暴或许也来自于类似的人为现象,但许多望远镜在天空的各个方向都观测到了快速射电暴,所以天文学家很确定快速射电暴不是来自于我们人类自己。

2. 致密天体的合并?


不重复的快速射电暴信号有可能来自于致密恒星遗迹,比如白矮星、中子星和黑洞的合并与碰撞。随着这些天体相互旋转靠近,天体间的强磁场相互作用可能驱动了爆发现象。

3. 中子星与小行星的碰撞?


如果一个流浪的中子星碰巧经过小行星附近,这些小行星就将经历一场颠簸的旅途。致密的中子星会牵引小行星上的带电粒子,将这些粒子加速到接近光速,从而释放出快速射电暴。

4. 奇异星壳的坍缩?


奇异星是一种夸克星,科学家猜测这是一种介于中子星和黑洞之间的天体。奇异中子星内部巨大的压强和超高的温度让中子分解为组成它的基本粒子:上夸克、下夸克和奇异夸克。快速射电暴就有可能是当奇异星在壳层上积累了足够多的普通物质时,壳层最终坍缩而释放出的磁能和被加速到极高速度的正-负电子对。

5. 小型的耀变体?


耀变体是一种活动星系核,在其中央是一颗超大质量黑洞,会吸积周围的物质,并释放出指向地球的相对论性喷流。小规模的耀变体辐射过程或许可以解释快速射电暴:在星系气体云中的一个中等大小黑洞向外发出一束能随机改变方向的辐射,当它恰好指向地球的方向时,我们就会看到一场快速射电暴。

6. 脉冲星的星震?


一个有趣的现象是,重复的快速射电暴的信号形状类似于地震余震的信号形状,这引得天文学家猜测,快速射电暴可能是由脉冲星的星震引起的。

7. 脉冲星“闪电”?


脉冲星的强磁场会产生被真空隔开的等离子层。有一种快速射电暴的形成理论认为,储存的静电能量或许可以穿透这些真空间隙,就像地球上的闪电那样,释放出短暂却强大的射电波。

8. 超辐射


快速射电暴还有可能是一种量子现象。有科学家猜测,当波长极长的原子或分子在普通的电磁场中发生纠缠时,就会出现超辐射现象。那些纠缠的粒子接着会作为一个群体行动,这可能导致强烈的辐射爆发,形成我们看到的快速射电暴。

9. 外星人?


一个非常吸引人眼球的想法自然是——这些快速射电暴可能是来自系外文明信号,或许是外星光帆的信号灯或者推进机制。虽然有更多、更强的证据支持那些更常规的理论——快速射电暴来自于自然的天体物理现象,但直到确定之前,这个可能性无法被完全排除。

10. 磁星的巨大耀斑?


磁星”所释放的巨大耀斑或许是近来被认为最有潜力的快速射电暴理论。磁星是一类年轻的中子星,它们的磁场比其他中子星强数千倍,比地球强数十亿倍。这些磁星偶尔会释放出耀斑,以接近光速的速度喷射出电子、正电子,或许还有一些更重的离子。在这个过程中,它们会遇到先前耀斑喷出的旧粒子。当新的喷出物与旧的碎片相遇时,就会堆积成一个激波,激波内的磁场就会飙升。当激波向外挤压时,内部的电子会沿着磁场线旋转,这种运动就会产生一束射电波。


我们还无法确定快速射电暴的源头,甚至不清楚快速射电暴是否都来自一类单一类型的事件。但这些谜团或许不会持续太久。当CHIME在今年年末完全投入使用后,预计每天能发现1到10个快速射电暴。与此同时,位于澳大利亚的平方千米阵也在搜寻更多的样本,并在努力寻找快速射电暴的准确源头。在几年内,位于非洲的HIRAX也将在一个没有外界射电信号干扰的环境中捕捉快速射电暴。当大量数据的涌入时,天文学家就能迅速地缩小可能的范围。

多年以来,快速射电暴的研究都是在稀缺的数据和空想的理论上举步维艰的进行的。今年2月中旬,对快速射电暴好奇的天文学家们聚集在阿姆斯特丹,分享了还不准备公布的新发现。他们讨论了中子星在这一过程中扮演着某种角色的观点。他们对不同的模型进行了辩论。思想的碰撞或许即将为我们带来新的融合。

文:Zwikcy / 图:潘潘

参考链接:

https://www.sciencemag.org/news/2019/03/homespun-canadian-telescope-could-explain-mysterious-radio-signals-distant-universe

https://insidetheperimeter.ca/fast-radio-bursts-what-in-the-universe-are-they/

https://frbtheorycat.org/index.php/Main_Page

https://www.quantamagazine.org/astronomers-now-think-they-can-explain-fast-radio-bursts-20190228/

https://arxiv.org/abs/1902.01866