在德国为代表的西方经典哲学传统里面,康德承上启下、开宗立派。他开启的19世纪理想主义哲学浪潮,在黑格尔时期达到巅峰。笔者细想了一下,除了听说过康德的星云假说以外,也就只是下面这段前言印象极深了。求索而不解是人性。不过,现在来看,康德的很多观点与语句,放在今天天文学,特别是快速射电暴的观测中,也异常契合。
现代科学研究工业化的程度日益提高,追赶浪潮是不可避免的。
20世纪90年代,美国宇航局的Ed Weiler大手一挥,拿到哈勃望远镜时间的都发红包,按照1K秒这种奇葩单位算福报。Hubble Space Telescope啊,Spitzer祖师和世代天文民工梦想的神器啊,摸到还有钱!并且不是小钱, 一个正常项目就匹敌美国国家自然科学基金打破头的general grant,贴补PI暑期的薪水外加养活一个博士生没问题。
美国自然科学基金的天文领域资助总量远小于NASA在相关方向的投入。这使得由美国NSF资助的国家射电天文台在战略方向规划和如何引导研究投入上颇为挣扎。自2003年起,NRAO效仿NASA,决定给取得绿岸望远镜观测时间的科学家一定支持,可以资助美国注册学生。钱弱而声微,没有掀起什么涟漪。
哈勃的成功以及宇航局资本的力量,共同促成了在三十年左右时间内光学天文的复兴,以及射电天文肉眼可见的萧条:各个大学运行的射电望远镜纷纷关闭。射电天文的工作马FCRAO,BIMA等纷纷饿死,人力资源转进资助导向的新兴领域。
然而,巨人的逝去并不代表领域的终结。整体颓势中的厘米波、特别是基于单天线观测的射电天文,却在过去10年掀起了天文学巨浪。
快速射电暴主要来自银河系以外,它在千分之一秒就可以释放等效于太阳1-10年的辐射总能量,是宇宙在射频波段最为剧烈的信号。宇宙无奇不有,FRB的起源至今也没有合适的解释。事实上,现在的FRB方向的国际望远镜观测时间申请和各种研究基金申请,常见开头就是“快速射电暴是一种神秘现象”云云。“神秘”这种略带业余的说法在天文的职业圈并不少见、或跌身份。
真正奇怪的是FRB这一神秘现象其实既不少见也不暗弱,但却发现的如此之晚。
2007年,Duncan Lorimer和Matthew Bailes发表了首例有关快速射电暴-“Lorimer Burst”的文章。彼时还没有快速射电暴的概念。
Lorimer Burst很亮,文章中只能给出一个估算的下限,原因有二:信号有饱和迹象;只探测到一次爆发,无法确定是否发生在望远镜的波束中心,也就无法确定信号是否经过了设备100%的增益放大。所以任何基于Lorimer burst强度的量化分析都有极大的不确定性。
无论是Duncan Lorimer还是Matthew Bailes,都是谨慎、知名的科学家,但这一信号受到普遍怀疑,无疑成为两位学术声誉上的负担。笔者在《中国国家天文》杂志上有篇小文章“聒噪的宇宙”,可供闲时一品。
这一状况直到2013年,Matthew Bailes的团队发布了4个Parkes巡天数据再处理找到的爆发。
也是在这一文章中,快速射电暴这个词被正式命名,解救了Lorimer burst的孤单。其实,射电观测并不难理解:射电爆发信号的主要观测特征是色散,既诞生在同一瞬间的白光,穿越星系际空间会散开成彩,这和牛顿的棱镜实验完全同理。不同色彩对应了光的不同能量/波长/频率。恒定光速定义的是真空的性质。而宇宙空间并不是真空,其间充盈了百万度的热电子。
FRB的脉冲穿过宇宙间的非真空介质,高能量成分速度快,因而提前到达,低频成分后到。两者之间的时间延迟对应了其经过的电子总密度。短促的脉冲不同于持续的辐射,其有始有终的特性,赋予了我们通过测量时间差从而估算脉冲传播路径上的物质总量的可能。把FRB和地球之间的宇宙空间看作一个棱镜,射电天文学通过测量信号在时间上弥散的程度来推算这一棱镜的色散总量,从而得到宇宙棱镜的厚度。
Matthew Bailes是个直白的人。2007和2013年的两篇经典文章闪耀了他的风格。“Lorimer Burst”文章摘要122个字,最后说到:“如果每天都能探测到类似的几百例信号,那么就可以把它当做一个宇宙学探针来使用”。命名FRB的文章摘要111个字,最后一句:“源种群的特征和宿主星系的鉴定为我们提供了一个确定宇宙中重子含量的机会”。
这两句话预言了FRB的常见及其作为宇宙重子物质探针的远大前程,是深刻而有见地的。
历史要有距离才能看清。2013年太近,这些创造历史的人都太过熟悉,本不好做出这些推断的。不过设身处地想一下,在2007年Duncan Lorimer和Matthew发表这一惊人发现的时候,只有一例并不被主流学界普遍承认的信号;在2013年命名FRB时,一共也才只有5个案例,且没有任何确切的证据证明其来自银河系以外。在这种情况下宣称每天可有数百次的爆发,并要利用其探测宇宙,不光需要见识,也需要勇气。
2017年第一个重复暴FRB 121102被定位在一个贫金属的矮星系,并且对应了一个偏离星系中心的射电源。这一工作真正确定了FRB的宇宙学起源,被美国天文学会称作“自LIGO引力波之后天文学最重大的发现”,堪称一座里程碑。2020年初,澳大利亚Macquart教授总结了7例快速射电暴的信号色散与其宿主星系红移的关系,认为可以在标准宇宙学的框架下完全示踪此前所谓的“缺失的重子物质”。
从2013年Matthew Bailes的经典文章到2020年,这一领域的发展只用了7年就印证了“确认了宇宙中的重子含量”的预言。不幸的是,Macquart在文章见刊后几天就因病去世。我们称他提出的色散红移关系为Macquart relation,以示纪念。
针对FRB这一新浪潮,加拿大的Kaspi教授领导了氢强度测绘实验望远镜的升级计划。
成功争取到望远镜总造价额外50%的经费,搭建了可以同时计算合成上千像素点的数字波束合成器,使得CHIME这一混合了单天线和干涉阵概念的宇宙学望远镜华丽升级为快速射电暴探测器。2021年,CHIME团队一篇文章发表了近500个新快速射电暴,使得快速射电暴的统计研究迅速进入实践阶段。
天文学家提出了快速射电暴宇宙学、快速射电暴宿主星系、快速射电暴探测星际介质湍流等等新概念,以及正在形成更多的、更有想象力的提案,正在成为具体的观测项目、量化模型甚至是天文学的新兴子领域。
笔者统计了截止到2020年底,伽马射线暴领域和快速射电暴领域的所有正式发表论文。
发展对比来看,快速射电暴领域从2007年至今,大致类似GRB领域从1974年1989年的发展态势,但只用了一半的时间就发表了大约2.5倍数量的论文。并且,快速射电暴领域爆发性增长的阶段才刚刚开始。直到CHIME公布其FRB大型样本之前,本领域一直是模型的文章数量超过已知FRB源的数量。FRB Theory Wiki总结了超过50多类模型,每一类还常常有多篇文献。天文的新发现多是复杂现象。
复杂现象的多种解释往往反映了实验约束的缺乏。GRB领域的早期,模型有数百种,文章上千篇,而这种百花齐放的态势在90年中期却突然收敛。
2020年11月4日,Nature杂志发表了三篇论文,报道了首例银河系内的快速射电暴。三篇论文分别来自加拿大CHIME望远镜、美国STARE2望远镜以及我国500米口径球面射电望远镜。
其中前两篇为发现论文,探测到一例来自银河系内极强磁场中子星的射电爆发,其亮度高过普通脉冲星的1亿倍以上。第三篇为后随监测,给予了这颗磁星伴随伽马射线爆发期间的射电流量的最严格限制。虽然此例暴发的射电能量远低于所有其他已知FRB,但是普遍接受其为第一例河内快速射电暴FRB200428。
随后,使用慧眼望远镜的数据在《自然-天文》杂志发表了对同一暴发事件的观测结果,指出其X-射线脉冲早于射电脉冲约8秒到达地球,与SGR J1935+2154的距离自洽。这一磁星因此成为目前唯一被观测验证的可产生类似FRB爆发的天体,并且有多波段的爆发数据,为揭开与FRB有关的种种谜题奠定了基础,是一个里程碑式的成就。磁星因此成为FRB模型领域的主要热点,甚至是塌缩的希望。
中国天眼FAST的视场相对较小,在搜寻FRB这种全天各向同性且表现类随机的瞬变现象上并没有什么优势。图四展示了目前公开发表的所有快速射电暴源,其中FAST通过其优先重大项目“漂移扫描多科学目标同时巡天”发现4例。它们补足了更为暗弱和来自宇宙更为早期的参数空间。FAST是得益于自身无以伦比的灵敏度,其固定的视场角度可以延展覆盖到更深远的宇宙空间。
距离地球越远,其望远镜视场内单位角度包含的宇宙体积越大,覆盖的星系越多,探测到FRB的概率也就越高。
2007年,Lorimer Burst横空出世时,FAST刚刚得到国家发改委的立项批复。2013年,FRB得名,FAST处在工程建设的第二年。2015年第一个重复暴FRB 121102被确认,所有的专家都知道这是本领域的转折点,所有的主流射电望远镜都在开展对其定位的努力。
彼时,FAST还在安装面板,我们也进行了如何定位的技术规划以及对重复暴深度监测的预先研究,虽然明知无缘尽早参与这场游戏。2017年,FRB 121102被定位,规划中的FRB定位努力的重心由FAST转向小型天线阵列。2019年,FAST重复暴深度监测计划捕捉到FRB121102一段极为活跃的爆发,并用天文电报的形式告知同行,引导了包括ALMA、Chandra在内的多个设备进行跟进观测。
2021年底,小天线阵的先导试验将启动。我们虽然迟到,但是依然给这场学术聚会注入了活力。
2019年8月30日到2019年10月20号,两个月不到的时间,FAST在59.5个观测小时内探测到至少1652个来自FRB121102的爆发事件。截止到相关论文发表之时,FAST在两个月内探测到的脉冲数量超过了此前所有公开发表论文中包含的来自所有快速射电暴源的脉冲之总和。
这一数据集也已经催生了一系列的研究论文和数个研究项目。经过定标和测算,这一事件集合覆盖了超过三个数量级的能量范围,首次揭示了单一快速射电暴源较为完整的能谱。
在这两个月内,FRB121102的峰值爆发率达到了122次每小时,这也让大多数灾变模型难以解释。FRB121102的爆发率有明确的特征能量。在这个阈值下,爆发显著减少。
这是FRB起源机制的一个基本特征,也对估算全天的FRB可探测事件率产生了限制。爆发率能谱可以由低能端的正则对数和高能端的广义洛伦兹-柯西函数一起描述。基于中心极限定理,正则对数的分布很可能揭示了快速射电暴辐射机制在低能端的随机性。洛伦兹-柯西函数则常见于对原子辐射的描述。从数学上看,洛伦兹-柯西函数描述的概率密度分布可以等效于两个独立的随机变量的概率比。
也就是FRB 121102在高能端的爆发,可能显示了两个随机过程的相关。FRB121102在1毫秒到1000秒之间不存在周期或准周期。这两个月内1652个脉冲揭示的FRB天体释放总能量已可达到单一磁星总能量的38%,意味着快速射电暴的辐射机制必须经济有效。