快速射电暴:宇宙学中的“标准琶音”

作者: 张骥国、张鑫

来源: 中国科学院国家天文台

发布日期: 2024-07-15 08:00:37

快速射电暴(FRB)是一种神秘的射电脉冲信号,于2007年首次发现。其特征包括持续时间短、距离远、能量高、事件率高。FRB 凭借其高探测率和精确的定位,在宇宙学研究中展现出巨大潜力,未来有望成为晚期宇宙(特别是暗能量)的独立探针,为解决暗能量和“哈勃危机”等宇宙学问题提供新见解。

在音乐术语中,琶音指的是音阶从高到低(或从低到高)依次快速弹奏的一段旋律。类似地,当探测到来自宇宙深处的快速射电暴时,人们会依次接收到从高频到低频的脉冲信号,仿佛聆听一段优美的“宇宙琶音”。这一现象是由于信号在宇宙介质中传播时的色散效应引起的。通过测量其色散量,可以估算出发射源在大尺度结构上的距离,为宇宙学中的距离测量提供了一种新方法。

未来,大量可定位的快速射电暴探测所得到的“标准琶音”(standard pings),有望成为继“标准尺”、“标准烛光”和“标准汽笛”之后基础物理与宇宙学研究的重要工具。当前宇宙学正处于黄金时代。人们已经对宇宙有了一定的认识,能够回答许多基本而重要的问题。例如,宇宙起源于138亿年前的一次大爆炸,其几何结构接近平直,目前的组成包括约68% 的暗能量、27% 的暗物质以及5% 的普通物质等。

这些成就得益于天文观测技术的发展,特别是对宇宙微波背景(CMB)的观测。形象地说,CMB 是一张宇宙年龄为38万年时的“婴儿照”。近30年来,三代卫星相继发射升空,并随着技术的不断迭代,这张天图越拍越清晰。2018年,欧洲航天局的 Planck 卫星清晰描绘了 CMB 天图中极为微小(约十万分之一)的温度起伏。通过分析其功率谱,可以从统计上筛选出最符合观测的宇宙学模型。

结果表明,最受 CMB 青睐的是一个叫宇宙学常数-冷暗物质(ΛCDM)的模型。该模型的6个基本参数中有5个的限制精度在 1%以内,这标志着人们进入了精确宇宙学时代。该模型还与绝大多数天文观测都符合得很好,因此被广泛认为是宇宙学的标准模型。然而,繁荣之下亦有隐忧。CMB 是对早期宇宙的观测,研究晚期宇宙“专业”不对口。在晚期宇宙中,暗能量是最大的谜团之一。

暗能量主导着当前宇宙的演化,以一种排斥性的引力驱动宇宙加速膨胀。要揭示宇宙的最终命运,就必须对暗能量的状态方程参数(后文简称暗能量参数)进行精确测量,以深入理解其本质。通过对晚期宇宙的观测,尤其是大型光学星系巡天探测,可以提取宇宙大尺度结构中的重子声学振荡(BAO)信息,并观测大部分 Ia 型超新星(SNe)。这些观测可作为 CMB 在晚期宇宙的“安全护栏”。

将三者的数据组合起来(CMB+BAO+SNe)能有效提高参数限制精度。最新研究表明,该组合可以将暗能量参数限制到 2.5%的水平(考虑最简单的动力学演化模型),已是当今翘楚,却仍不足以揭示暗能量的本质。

总之,现代宇宙学取得了前所未有的突破和进展,但同时也亟需解决现有理论中的一些谜团和矛盾。人们喜忧参半,这是最好的时代,这是“最坏”的时代……

对于宇宙学中这两大“宇宙级”难题:暗能量问题和“哈勃危机”,仅凭借传统观测数据(如CMB、BAO和SNe)可能难以解决(见图2)。我们需要另辟蹊径,广泛寻找新的、有潜力的宇宙学工具,并期待能够独立并精确地测量暗能量参数和哈勃常数。

在晚期宇宙中,还有一种非常有潜力的宇宙学探针——快速射电暴(FRB)。 FRB 是一种神秘的射电脉冲信号,于2007年首次发现。其特征包括:(1)持续时间短,仅毫秒量级,眨眼间就能爆发上百次;(2)距离远,观测到的大多来自宇宙深处,其中最远的离地球约80亿光年; (3)能量高,每次爆发的能量足以驱动人类社会上万亿年的发展;(4)事件率高,全宇宙每天约有至少12万例爆发。

总之,FRB 凭借其高探测率(可通过大样本获得较为精确的距离信息)和精确的定位(可获得红移信息),在宇宙学研究中展现出巨大潜力。

具体来说:(1)当可定位 FRB 的数目上万时,FRB 在宇宙学研究中将发挥重要作用;(2)在 SKA 时代,可定位FRB 的数量可达到十万至百万的量级,单独利用 FRB 即有望成为晚期宇宙(特别是暗能量)的独立探针; (3)前面没有提到的是,FRB 作为瞬变源,若能找到约10个强透镜化的 FRB,通过精确测量透镜像的时间延迟,可为哈勃常数提供极为精确的测量;(4)在大量可定位 FRB 样本中,若存在强透镜化事件并进行联合分析,还能进一步提升哈勃常数的精度。

总之,未来大量的 FRB 观测将成为独立且精确的晚期宇宙学探针,为暗能量和“哈勃危机”等问题的解决提供新见解。

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