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來源：互聯(lián)網(wǎng)

快速射電暴（英文：500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡 Radio Bursts，縮寫FRB），是宇宙中最明亮的射電爆發(fā)現(xiàn)象，在1毫秒的時(shí)間內(nèi)釋放出太陽大約一整年才能輻射出的能量，屬于電磁波譜的無線電波段。快速射電暴是明亮的、未解析的、非重復(fù)的、寬帶的、毫秒級的閃光，射流量密度一般在50mJy-100Jy之間，主要出現(xiàn)在銀河系高緯度地區(qū)。

命名方式

快速射電暴（FRB）的命名源于其射電信號的短暫和高能量，其頻率從幾百兆赫茲到數(shù)千兆赫茲不等，依據(jù)錄得訊號的時(shí)間日期，以"YYMMDD"的排序命名，如第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的FRB是FRB 010621；2011年6月26日被發(fā)現(xiàn)的FRB稱為FRB 110626。

產(chǎn)生起源

2007年，遙遠(yuǎn)宇宙中突然出現(xiàn)的短暫而明亮的無線電爆發(fā)的現(xiàn)象首次被報(bào)告。這些神秘的事件只有少數(shù)幾起得到確鑿的證認(rèn)，但此前的觀測沒有多少細(xì)節(jié)可以揭示它們到底如何發(fā)生，甚至到底在哪里發(fā)生。

分析了近700個(gè)小時(shí)的美國國家科學(xué)基金會(NSF)綠堤望遠(yuǎn)鏡(GBT)存檔數(shù)據(jù)后，一組天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)迄今為止包含最多細(xì)節(jié)的快速射電暴事件。這些新分析的數(shù)據(jù)，其中同時(shí)包括線偏振和圓偏振數(shù)據(jù)，表明這一爆發(fā)發(fā)生在高度磁化的區(qū)域內(nèi)，有可能是一個(gè)近期的超新星，或活躍的恒星形成星云。

快速射電暴是用射電望遠(yuǎn)鏡探測到的來歷不明的短暫閃光，雖然持續(xù)的時(shí)間還不到一秒鐘，它所包含的能量卻比我們的太陽幾十萬年中發(fā)出的能量還多。截至2021年2月，只有11個(gè)FRB事件獲得了確鑿的證認(rèn)，但天文學(xué)家們相信，在可觀測的宇宙中每天都會發(fā)生成千上萬這樣的爆發(fā)。但是，要找到它們，卻需要仔細(xì)而審慎地分析當(dāng)前和存檔中的日常射電天文觀測記錄數(shù)據(jù)。

觀測特征

重復(fù)性

2016年，科學(xué)家再次觀測到了FRB 121102的爆發(fā)，這種重復(fù)爆發(fā)的FRB稱為“重復(fù)暴”，而只發(fā)生一次的FRB則被稱為“非重復(fù)暴”。目前全球共發(fā)現(xiàn)了至少700個(gè)FRB，其中63個(gè)是重復(fù)暴。重復(fù)爆發(fā)的快速射電暴是否具有周期性，仍然是一個(gè)未解之謎。截至2023年5月，只有一個(gè)FRB被確認(rèn)具有周期性，即FRB 20180916，周期是16.35天。此外，通過觀測發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RB 20121102也可能存在一個(gè)159天的周期，但需要進(jìn)一步的研究來驗(yàn)證。

FRB 20121102非常特殊，它的重復(fù)率極高。2019年，中國科學(xué)院國家天文臺李菂研究員的團(tuán)隊(duì)利用500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST成功捕捉到了FRB 20121102的極端活動期，在59.5小時(shí)內(nèi)，團(tuán)隊(duì)獲得了1652個(gè)高信噪比的爆發(fā)信號，在最劇烈的時(shí)段達(dá)到每小時(shí)122次爆發(fā)。

相較之前普遍局部的能量譜圖，此次發(fā)現(xiàn)首次揭示了快速射電暴爆發(fā)率存在特征能量4.8x1037erg并具有雙峰結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格限制了單一磁陀星起源等多種模型，揭示了快速射電暴的基礎(chǔ)物理機(jī)制。通過59.5小時(shí)觀測的1652次爆發(fā)計(jì)算得出的總各向同性的能量為3.4x1041erg。

宿主星系定位

FRB 20121102是第一個(gè)被定位的快速射電暴。2017年米沙·查特吉（Shami Chatterjee）等人使用VLA望遠(yuǎn)鏡綜合孔徑成像技術(shù)將其定位于一個(gè)矮星系的恒星形成區(qū)。此研究確定其宿主星系紅移，揭示了其宇宙學(xué)起源，被美國天文學(xué)會稱作“自LIGO引力波測量之后天文學(xué)最重大的發(fā)現(xiàn)”。2019年，基斯·班尼斯特（Keith Bannister）等人首次定位非重復(fù)暴FRB 180924，而在2022年，弗朗茲·柯爾斯頓（Franz Kirsten）等人將FRB 200120定位于M81星系中的球狀星團(tuán)。

定位可以直觀地研究射電暴所處環(huán)境，從而約束其起源。但對于FRB的定位，特別是遠(yuǎn)距離的定位，非常困難。以阿雷西博（Arecibo）望遠(yuǎn)鏡的3角分定位精度為例，在Gpc尺度的距離上這個(gè)張角里包含太多的星系。因此，科學(xué)家們還會通過FRB的偏振來側(cè)面研究所處環(huán)境的磁場信息。

偏振特征

偏振是射電天文學(xué)中非常重要的測量參數(shù)，可提供關(guān)于輻射機(jī)制和輻射源結(jié)構(gòu)的信息。2015年，艾米莉·佩特羅夫（Emily Petroff）等人報(bào)告了第一個(gè)FRB偏振測量結(jié)果，表明該暴圓偏振度高達(dá)21%。隨后，伊藤·馬蘇伊（Kiyoshi Masui）等人發(fā)現(xiàn)FRB 110523的線偏振度為44%，并得到線偏振的邁克爾·法拉第旋轉(zhuǎn)量（rotation measure, RM）為-186.1rad m-2。

電磁波穿過磁化等離子體時(shí)，會產(chǎn)生振動方向的改變，稱為法拉第旋轉(zhuǎn)。快速射電暴在到達(dá)地球之前會通過宇宙中的等離子體，受到磁場影響會發(fā)生法拉第旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致振動方向發(fā)生變化。因此，可以通過分析法拉第旋轉(zhuǎn)量RM來反推快速射電暴所經(jīng)過的宇宙磁場環(huán)境。RM的數(shù)值反映了電子密度和磁場強(qiáng)度，電子密度和磁場強(qiáng)度越大，振動方向旋轉(zhuǎn)的角度越大，對應(yīng)的邁克爾·法拉第旋轉(zhuǎn)量也越大。同時(shí)，法拉第旋轉(zhuǎn)的符號反映了視線磁場的指向。

2016年維克拉姆-拉維（Vikram Ravi）等人用帕克斯（Parkes）望遠(yuǎn)鏡測量了FRB 150807 80%線偏振的RM低至12rad m-2，揭示其周圍介質(zhì)磁化程度極低。2018年丹尼爾·米希利（Daniele Michilli）等人用綠岸望遠(yuǎn)鏡（GBT）和阿雷西博（Arecibo）望遠(yuǎn)鏡測量了FRB 121102 100%線偏振的RM高達(dá)1.46×105rad m-2，揭示其有可能來自于高度磁化的環(huán)境。

2022年馮毅等人發(fā)現(xiàn)FRB偏振頻率演化關(guān)系，研究快速射電暴周邊環(huán)境，首次提出了能夠解釋重復(fù)快速射電暴偏振頻率演化的統(tǒng)一機(jī)制，即重復(fù)暴信號會經(jīng)歷其周邊復(fù)雜等離子體的多路徑散射，可由單一參數(shù)“RM彌散（σRM）”描述。“RM彌散”越大對應(yīng)其周邊環(huán)境變化越劇烈，也很可能越年輕，有潛力成為辨識重復(fù)暴的重要物理參數(shù)。FRB 190520具有已知最大的RM彌散，F(xiàn)RB121102次之，它們可能代表演化的早期階段，為最終確定FRB起源提供了關(guān)鍵證據(jù)，為構(gòu)建重復(fù)快速暴的演化圖景奠定了基礎(chǔ)。

爆發(fā)機(jī)制

快速射電暴的物理機(jī)制尚不清楚，天文學(xué)家已提出數(shù)十個(gè)理論模型，一些模型認(rèn)為快速射電暴可以起源于磁星爆發(fā)，也有猜測可能是間諜衛(wèi)星或智能生物創(chuàng)造的人工信號。

研究歷程

2007年，美國天文學(xué)家鄧肯·洛里默（Duncan Lorimer）在分析澳大利亞帕克斯（Parkes）望遠(yuǎn)鏡于2001年進(jìn)行觀測記錄的數(shù)據(jù)時(shí)首次發(fā)現(xiàn)了快速射電暴，被稱為洛里默暴。

2012年至2013年前后，人們發(fā)現(xiàn)多起類似事件，桑頓·斯塔珀斯（Thornton Stappers）等人在2013年的論文中公布了4例FRB后，人們認(rèn)識到這應(yīng)該是種常見現(xiàn)象，開始積極搜尋FRB。

2015年4月18日，帕克斯天文臺檢測到FRB 150418，使用多臺望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了快速探測工作，最終在可見光下拍攝了源星系的圖像，這是科學(xué)家們首次追蹤到快速射電暴的來源。同年，P-ALFA項(xiàng)目觀測發(fā)現(xiàn)了FRB121102，并且確認(rèn)其為第一個(gè)重復(fù)快速射電暴。康奈爾大學(xué)的查特吉（Shami Chatterjee）和NRAO的合作者提高了JVLA的時(shí)域采樣率，反復(fù)監(jiān)測FRB121102。澳大利亞的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡隨后測量了宿主星系的紅移，歐洲甚長基線干涉網(wǎng)進(jìn)一步將定位精度提高到毫角秒，并且看到宿主星系中持續(xù)連續(xù)譜源的位置和FRB爆發(fā)位置存在可能的分離，這一結(jié)果發(fā)表在2017年《自然》雜志封面。

2017年，新疆天文臺博士生姚菊枚構(gòu)建了新的電子密度模型（簡稱YMW16）。相對已有模型，通過近十多年觀測，YMW16具備以下有利條件：一、具有測量距離的脈沖星數(shù)目增加了一倍，且銀河系結(jié)構(gòu)參數(shù)的精度提高；二、麥哲倫星系脈沖星數(shù)目增加，以及對麥哲倫云結(jié)構(gòu)認(rèn)識得到提高；三、快速射電暴發(fā)現(xiàn)，及研究了星系際介質(zhì)自由電子密度的分布。研究人員緊抓時(shí)機(jī)，提出的YMW16不僅提高了銀河系脈沖星模型距離精度，在95%的置信區(qū)間范圍內(nèi)優(yōu)于NE2001近40%，且是第一個(gè)可用于估測麥哲倫云脈沖星及快速射電暴距離的模型。姚菊玫博士在澳大利亞天文臺R.N.Manchester教授與導(dǎo)師王娜研究員的指導(dǎo)下，完成這項(xiàng)工作，相關(guān)研究成果在《天體物理學(xué)》ApJ(2017,835, 29)雜志發(fā)表。

2018年9月24日，澳大利亞的SKA探路者望遠(yuǎn)鏡捕捉到一個(gè)宇宙射電暴信號，這是人類成功定位的第二個(gè)快速射電暴，也是第一個(gè)單次快速射電暴。澳大利亞團(tuán)隊(duì)利用每個(gè)電線接受到信號的時(shí)間差確定射電暴的母星系方位，相關(guān)論文于2019年6月28日在學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表。

2019年8月，500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST的快速射電暴終端捕捉到FRB121102脈沖；2020年，F(xiàn)AST在快速射電暴方向產(chǎn)生兩篇《自然》雜志論文。

2020年7月，《自然》期刊發(fā)表了加拿大氫強(qiáng)度測繪學(xué)實(shí)驗(yàn)（CHIME）發(fā)布的FRB 180916.J0158+65存在大約16天為重復(fù)周期的觀測結(jié)果，是CHIME發(fā)現(xiàn)的最早的重復(fù)暴之一，其宿主星系是一個(gè)旋渦星系。

2021年，中國科學(xué)院大學(xué)博士生導(dǎo)師、國家天文臺李菂、朱煒瑋團(tuán)組，以牛晨輝博士為主的團(tuán)隊(duì)在500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡海量數(shù)據(jù)中搜尋出3例新的高色散快速射電暴，預(yù)示了在FAST高靈敏度下每天可探測的FRB多達(dá)12萬個(gè)，將有效擴(kuò)展FRB樣本的紅移亮度覆蓋區(qū)域，揭示宇宙物質(zhì)構(gòu)成并約束FRB本征光度函數(shù)。

2021年2月19日，中國科學(xué)院高能物理研究所舉行新聞發(fā)布會，慧眼衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)首個(gè)跟神秘的快速射電暴相關(guān)聯(lián)的X射線暴，確認(rèn)其來自銀河系內(nèi)的磁星SGR J1935+2154，并在國際上首先證認(rèn)該X射線暴包含的兩個(gè)X射線脈沖是快速射電暴的高能對應(yīng)體，相關(guān)成果于2月19日在《自然·天文學(xué)》發(fā)表。

2022年6月9日，500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST發(fā)現(xiàn)首例持續(xù)活躍快速射電暴的研究成果在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志發(fā)表。中國天眼FAST通過“多科學(xué)目標(biāo)同時(shí)中國空間站工程巡天望遠(yuǎn)鏡（CRAFTS）”優(yōu)先重大項(xiàng)目，發(fā)現(xiàn)了迄今為止唯一一例持續(xù)活躍的重復(fù)快速射電暴。在發(fā)現(xiàn)了首例持續(xù)活躍的快速射電暴之后，中國科學(xué)院國家天文臺李菂研究員團(tuán)隊(duì)通過組織多臺國際設(shè)備天地協(xié)同觀測，綜合射電干涉陣列、光學(xué)、紅外望遠(yuǎn)鏡以及空間高能天文臺的數(shù)據(jù)，將這一持續(xù)活躍的快速射電暴定位于一個(gè)距離我們30億光年的貧金屬的矮星系，確認(rèn)在其附近區(qū)域擁有目前已知的最大電子密度，并發(fā)現(xiàn)了迄今第二個(gè)快速射電暴的持續(xù)射電源對應(yīng)體。

2022年9月21日，中國科研人員依托“500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡”（FAST）獲得當(dāng)時(shí)為止最大的快速射電暴偏振觀測樣本的相關(guān)成果于《自然》和《自然-通訊》雜志在線發(fā)表。中國科研人員對重復(fù)快速射電暴FRB20201124A的近2000次爆發(fā)進(jìn)行了觀測，發(fā)現(xiàn)這個(gè)快速射電暴處于一個(gè)非常復(fù)雜的動態(tài)演化的強(qiáng)磁場環(huán)境中，并首次探測到快速射電暴周圍1個(gè)天文單位（即太陽到地球的距離）內(nèi)的磁場變化。這些發(fā)現(xiàn)表明，F(xiàn)RB 20201124A非常活躍，它可能來自一個(gè)雙星系統(tǒng)。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)了快速射電暴的猝滅現(xiàn)象，即FRB 20201124A前期一直保持著高爆發(fā)率，然后在74小時(shí)內(nèi)突然熄滅，并首次測到快速射電暴偏振度隨電磁波波長振蕩的現(xiàn)象。

2023年5月12日，重復(fù)快速射電暴周邊存在磁場反轉(zhuǎn)的研究成果在《科學(xué)》雜志發(fā)表。在此次監(jiān)測中，由李菂組織的國際科研團(tuán)隊(duì)，利用美國綠岸望遠(yuǎn)鏡和澳大利亞帕克斯望遠(yuǎn)鏡探測到FRB20190520B的多次爆發(fā)。利用這些監(jiān)測數(shù)據(jù)，馮毅等細(xì)致分析了爆發(fā)信號的偏振性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其邁克爾·法拉第旋轉(zhuǎn)量經(jīng)歷了兩次正負(fù)值劇烈轉(zhuǎn)變的過程，為揭示重復(fù)暴周邊存在磁場反轉(zhuǎn)提供了證據(jù)。這也意味著FRB20190520B可能處在雙星系統(tǒng)中，而雙星的伴星可能是黑洞或者大質(zhì)量恒星。

2023年9月23日，貴州省信息與計(jì)算科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天文數(shù)據(jù)處理團(tuán)隊(duì)利用500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST新發(fā)現(xiàn)了1例快速射電暴的相關(guān)成果通過天文電報(bào)（astronomer's telegram）發(fā)布。這是貴州本土單位依托國家大裝置開展前沿科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)的第一例快速射電暴，命名為FRB 20200317A。

2023年10月19日，科學(xué)家在《科學(xué)》雜志上撰文表示，發(fā)現(xiàn)一組來自約80億年前的無線電信號，本次爆發(fā)是在3個(gè)星系合并形成新恒星時(shí)產(chǎn)生的。通過望遠(yuǎn)鏡，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)它比之前探測到的所有快速射電暴都更古老、更遙遠(yuǎn)。本次爆發(fā)為測量宇宙的質(zhì)量“帶來新的希望”。

2026年1月，由中國科學(xué)院紫金山天文臺牽頭，聯(lián)合國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)組成的研究團(tuán)隊(duì)，利用中國500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（“中國天眼”，F(xiàn)AST）取得重要突破——在國際上首次捕捉到重復(fù)快速射電暴（FRB）的邁克爾·法拉第旋轉(zhuǎn)量（RM）發(fā)生劇烈跳變并隨后回落的詳細(xì)演化過程。這一獨(dú)特發(fā)現(xiàn)結(jié)果為“快速射電暴起源于雙星系統(tǒng)”的假說提供了關(guān)鍵的觀測證據(jù)，相關(guān)研究成果已于北京時(shí)間2026年1月16日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）。

研究應(yīng)用

2015年12月23日，中國科學(xué)院紫金山天文臺吳雪峰首席研究員、博士生導(dǎo)師和魏俊杰助理研究員在著名物理學(xué)刊《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters）以“Editors' Suggestion”（主編推薦）形式，發(fā)表了關(guān)于阿爾伯特·愛因斯坦等效原理的最新檢驗(yàn)結(jié)果，利用快速射電暴不同頻率光子到達(dá)地球的時(shí)間差，精確驗(yàn)證了愛因斯坦廣義相對論中的弱等效原理假設(shè)。

愛因斯坦等效原理預(yù)言，無靜止質(zhì)量（如光子）或靜止質(zhì)量可以忽略（如極端相對論運(yùn)動的中微子）的中性粒子在引力場中傳播，穿越的時(shí)間和沒有引力場情況是不同的。這種效應(yīng)也被稱之為Shapiro延遲（即有、無引力場2種情況的穿越時(shí)間之差），通常在脈沖雙星中較容易觀測到。對于宇宙學(xué)起源的暫現(xiàn)源，不同粒子（如光子與中微子）或不同能量的相同粒子在到達(dá)地球之前，必將受到銀河系引力場的影響，導(dǎo)致產(chǎn)生相應(yīng)的Shapiro延遲。此外，阿爾伯特·愛因斯坦弱等效原理預(yù)言任何非帶電檢驗(yàn)粒子在真空中的運(yùn)動軌跡是相同的，任何符合愛因斯坦弱等效原理的引力理論（包括廣義相對論）框架下，不同檢驗(yàn)粒子（非帶電）都會對應(yīng)相同的后牛頓參數(shù)，如γ（γ反映了單位質(zhì)量引起的空間彎曲）。愛因斯坦等效原理可以通過對比宇宙學(xué)暫現(xiàn)源同時(shí)釋放的不同能量光子在通過同一個(gè)引力場所用的時(shí)間差來檢驗(yàn)，即比較不同能量光子在銀河系引力場中傳播對應(yīng)的后牛頓參數(shù)γ值的差別是否為零。

快速射電暴是持續(xù)時(shí)標(biāo)為毫秒量級的射電爆發(fā)事件，雖然關(guān)于快速射電暴的物理起源尚不清楚，但是它們絕大多數(shù)爆發(fā)于高銀緯處，而且它們的色散量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過銀河系星際介質(zhì)的貢獻(xiàn)，因此一般認(rèn)為它們是河外起源甚至是宇宙學(xué)起源。另一方面，快速射電暴的光變曲線一般呈現(xiàn)簡單的單脈沖特征，人們很容易得到不同射電頻率光子的觀測時(shí)間延遲。吳雪峰研究員等人由此提出河外或宇宙學(xué)起源的快速射電暴可以被用來精確檢驗(yàn)阿爾伯特·愛因斯坦等效原理。該工作利用一個(gè)快速射電暴FRB 110220和兩個(gè)可能的快速射電暴與伽瑪暴成協(xié)事件(FRB/GRB 970508 101011A和FRB/GRB 100704A)為例，計(jì)算發(fā)現(xiàn)以不同頻率的射電光子為檢驗(yàn)粒子時(shí)，后牛頓參數(shù)γ的差值上限被限制到10-8量級。這一結(jié)果比之前相關(guān)限制至少提高了1-2個(gè)量級，并且把對愛因斯坦等效原理的檢驗(yàn)擴(kuò)展到了射電波段，從而進(jìn)一步證明了愛因斯坦等效原理假設(shè)的正確性。

參考資料 >

中國天眼FAST發(fā)現(xiàn)首例持續(xù)活躍快速射電暴.央視新聞-今日頭條.2023-10-10

外星人在聯(lián)系我們？5個(gè)新的快速射電暴來自40多億光年外.南方都市報(bào)-今日頭條.2023-10-10

Fast radio bursts.SpringerLink.2023-10-10

Dense magnetized plasma associated with a fast radio burst.nature.2023-10-10

反轉(zhuǎn)！這是有關(guān)快速射電暴的新發(fā)現(xiàn)！.今日頭條.2023-10-10

A Population of Fast Radio Bursts at Cosmological Distances.Science.2023-10-10

什么是快速射電暴?監(jiān)測快速射電暴有什么用?.中國科學(xué)院高能物理研究所-中國科技網(wǎng).2023-10-10

人類首次！中國慧眼衛(wèi)星確認(rèn)快速射電暴來自于磁星.新華網(wǎng).2023-10-10

Is this ET? Mystery of strange radio bursts from space.NewScientist.2023-10-10

5億光年外傳來重復(fù)快速射電暴這意味著什么？.光明網(wǎng)-今日頭條.2023-10-10

Radio flash tracked to faraway galaxy.BBC NEWS.2023-10-10