两种神秘的信号，来自同一个地方

本文来自微信公众号：原理 （ID：principia1687），作者：Takeko，头图来自：ESA/Hubble & NASA

一、神秘的射电暴

快速射电暴（FRB）是来自深空的强大射电波脉冲，它们转瞬即逝，仅持续几毫秒。自2007年首次探测到这些射电波的暴发以来，天文学家已经发现了600多起FRB事件，其中大多数FRB来自相当遥远的星系。然而，一直让天文学家困惑不已的一个基本问题仍然没有被完全解开：究竟是什么产生了FRB？

根据光速和FRB的持续时间，理论学家认为FRB与类似中子星、黑洞、白矮星这样的致密天体有关。

2020年，科学家在这一领域迈出了一大步。来自全球各地天文台的团队探测到了一例来自银河系内的FRB。最终，天文学家定位到了它的来源——一颗被称为SGR J1935+2154的磁陀星（也被称为磁星）。那是一种表面磁场强度超过地磁场的百万亿倍的中子星。

2021年，中国第一颗空间X射线天文卫星“慧眼”团队同样报告，“慧眼”不仅探测到了来自磁陀星的X射线暴，同时确认了它是神秘的FRB的来源。

图/磁陀星产生FRB的一种可能机制。CHIME望远镜的主要目标就是寻找FRB。（原理）

但天文学家同样认为，FRB可能不止这一种来源。比如，致密天体间的并合（比如中子星和黑洞的并合或者白矮星和黑洞的并合等等），或者致密天体的灾难性坍缩（比如中子星坍缩成黑洞），在理论上都有可能是FRB的来源。

同样早有天文学家预言，两颗中子星并合且坍缩成黑洞时，磁场的突然消失会产生一次FRB。变化的磁场产生电场，这其实就是大多数发电站产生电力的方式。而坍缩时磁场的巨大变化足以带来FRB的强烈电磁场。

近日，一组天文学家在《自然·天文学》上发表了相关证据。研究人员通过数据讲述了一个宇宙级灾难事件的过程：两颗致密的中子星在并合成一颗“超大质量”中子星时发出了引力波，也就是对撞激起的时空的涟漪。在坚持了约两个半小时后，这颗巨型中子星坍缩形成一个黑洞，在这个过程中产生了一次FRB。

二、寻找铁证  

这个故事要从LIGO说起。LIGO是过去10年间天文学界无可争议的大明星，它专门负责探测引力波，也就是大质量天体相互碰撞（并合）时产生的时空扰动。目前，天文学家发现了两起双中子星并合事件。至关重要的是第二起，被称为GW190425。

尽管这一事件相当令人激动，但出现了一些问题。这一事件的信号仅仅被LIGO位于利文斯顿的正在工作的探测器捕捉到了，那时，另一处位于汉福德的探测器恰巧处于离线状态。由于双中子星的信号相当微弱，其他引力波天文台也没有得到数据。

更糟糕的是，费米卫星当时被地球挡住了，它本来可以探测到来自并合的伽马射线，从而确认GW190425起源。此外，似乎也没有其他设备探测到相关的光学信号。

幸运的是，发生这一事件时，专门探测FRB的加拿大氢气强度映射实验（CHIME）正在运行。CHIME的研究人员花了两年时间才发布它的第一批数据。

有了新的数据后，研究人员很快确定了被称为FRB 20190425A的快速射电暴，在GW190425之后仅两个半小时便发生了。但因为GW190425的确切来源非常不确定，所以有5%的几率这可能只是个巧合。

三、不太可能是巧合  

关键的线索在于FRB追踪它们经过的气体总量。简单来说，这样做的原理在于，高频射电波在气体中的传播速度比低频波快，所以它们之间的时间差可以告诉科学家气体总量。天文学家知道宇宙的平均气体密度，他们可以将这种气体含量与距离联系起来，这就是所谓的“麦考特关系”。

图/原理

结果发现，FRB 20190425A穿过的距离与GW190425的距离几乎完美匹配。

即使有了所有的证据，目前仍有200分之一的几率这可能是一个天大的巧合。但研究人员希望他们能达到99.999%的把握。证实或反驳这一理论的关键证据将来自FRB方向的光学或伽马射线闪，但它们暂时消失了。

值得期待的是，引力波探测器LIGO、Virgo以及KAGRA即将重新启动运行，开始新一轮的观测，并且比之前更灵敏。而CHIME和其他射电望远镜也已经准备就绪，探测任何可能来自中子星并合的FRB。或许很快，我们就能知道，这究竟是昙花一现，还是一次具有深远意义的发现。

四、来源确定了吗？  

那么，即使确认了双中子星并合的来源，能否说我们就此发现了所有FRB来源？答案基本是否定的。目前研究认为，宇宙中没有足够的并合中子星来解释FRB的数量。比如，一些FRB仍然是由SGR J1935+2154那样的磁陀星产生的。

对FRB的探索不仅能加深我们对宇宙的理解，也有望带来研究宇宙的新方法。例如，天文学家可以利用FRB来搜寻宇宙中失踪的重子物质。

参考来源：

https://theconversation.com/for-the-first-time-astronomers-have-linked-a-mysterious-fast-radio-burst-with-gravitational-waves-202341

https://www.sciencenews.org/article/neutron-star-collision-fast-radio-burst

本文来自微信公众号：原理 （ID：principia1687），作者：Takeko，排版：雯雯