快速射電暴的顏色，排除雙星系統，引入磁星模型

來自神秘深空閃光的“射電顏色”表明孤獨的恆星屍體是其來源

（圖解：天文學家使用荷蘭的低頻陣列（英語：Low-Frequency Array，縮寫爲LOFAR）觀察快速射電暴的“射電顏色”。 圖源: SPACE/Joeri van Leeuwen）

新的研究發現，重複的神秘無線電波脈衝可能並非來自於以前所認爲的成對的恆星，而是來自於一種異常強大的磁體——它存在於宇宙中，卻迄今不爲人所知。

快速射電暴（fast radio burst），或稱FRB，是強大的無線電波脈衝，在幾千分之一秒內釋放的能量比太陽在近一個世紀內釋放的能量還要多。天文學家在2007年才發現快速射電暴，而且由於這種現象的爆發十分短暫，所以對快速射電暴仍有許多未知之處。

（圖解：畫家對快速射電暴180916.J0158+65的繪圖，基於使用夏威夷冒納凱阿火山山頂的雙子星北方望遠鏡和德國的100米埃費爾斯貝格射電望遠鏡的真實觀測。 圖源: Danielle Futselaar/artsource.nl）

由於快速射電暴並不多見，又十分明亮，研究人員通常認爲它們一般來自於災難性事件，如恆星耀斑或中子星的碰撞。(中子星是在超新星的災難性爆炸中死亡的恆星的殘餘物；這些恆星屍體的重力足以將質子和電子擠壓在一起，形成中子）。

當科學家在2016年發現第一個重複的快速射電暴時，快速射電暴就變得更神秘了。當天體物理學家看到天體事件中的重複模式時，他們通常認爲可能是天體力學在其中發揮了作用——比如，一顆行星完成了圍繞其恆星的軌道，或者一顆旋轉的中子星從其磁極噴射出無線電波，從地球的角度看像燈塔一樣閃爍。

在新的研究中，科學家專注於FRB 20180916B，這個快速射電暴於2018年被發現，大約每16.35天就會爆發一次。這種週期的規律性讓之前的研究得以構建一些模型，其中重複的爆發來自於一個雙星系統——一個強大的無線電波源，如被一顆巨星或另一顆中子星等同伴環繞的中子星。

這些雙星模型的一個關鍵結果與來自重複爆發的無線電波的“顏色”有關。當涉及到可見光時，短波長的光比較藍，而長波長的光則比較紅。如果重複快速射電暴的源頭是一個雙星系統，過往的研究表明，來自快速射電暴源頭的高能粒子的強大恆星風應該讓更多的藍色射電光逃離該系統，但阻擋大部分或可能全部較紅的射電波。

該研究的主要作者、阿姆斯特丹大學和荷蘭射電天文學研究所（英語：Netherlands Institute for Radio Astronomy，縮寫爲ASTRON）的天體物理學家伊內斯·帕斯托-馬拉蘇拉說：“在我們的觀測之前，這些模型似乎是最有可能出現的情況。”

在新的研究中，帕斯托-馬拉蘇拉和她的同事們結合世界上兩個最大的射電望遠鏡——主要位於荷蘭的低頻陣列（LOFAR）和位於荷蘭東北部的韋斯特博克綜合孔徑射電望遠鏡（Westerbork Synthesis Radio Telescope，縮寫爲WSRT）——來測試這個與顏色有關的猜想。這有助於他們同時在更紅和更藍的無線電波長上分析FRB 20180916B的爆發。

（圖解：韋斯特博克望遠鏡（左）在電磁波譜的藍色高頻範圍內探測到一個週期性的快速射電暴。後來，同一來源在紅色低頻範圍內發出了光。LOFAR望遠鏡（右）首次探測到這些顏色。 圖源: SPACE/Joeri van Leeuwen）

出乎意料的是，研究人員看到了兩天較藍的射電暴，接着是三天較紅的射電暴。帕斯托-馬拉蘇拉說，如此一來，簡單的雙星系統模型就被排除了，表明可能是其他情況。

相反，可能最適合解釋FRB 20180916B快速射電暴的神秘色彩模式的是磁星——中子星中一種罕見的類型，是宇宙中最強的磁體。帕斯托-馬拉蘇拉說，具體而言，他們認爲一個孤立的、緩慢旋轉的磁星——一個大約每16天完成一次旋轉的磁星，最有可能合理解釋這項發現。

（圖解：畫家筆下的磁星想象圖。 圖源: Wikipedia）

然而，科學家們還沒有檢測到任何旋轉如此緩慢的磁星。帕斯托-馬拉蘇拉說，“僅憑我們目前的知識很難理解這種磁星是如何存在的”，因爲強大的磁場通常與高旋轉率有關，“到目前爲止，還沒有其他模型能像慢速磁星那樣符合我們的觀測結果。”

這些發現讓人聯想到，一些快速射電暴可能沒有任何諸如密集電子雲之類的籠罩物質，以掩蓋其爆發的所有顏色。這種“裸露”的快速射電暴可以幫助研究人員解決一個重要的科學難題——宇宙中一半重子物質（又稱“正常”物質）的位置。

構成恆星、星系和行星等的即爲“重子”物質，因其主要由被稱爲重子的粒子構成，其中包括構成原子核的質子和中子。然而，幾十年來，宇宙中已被預測的重子物質中只有約一半得到了天文學家的解釋。

（圖解：畫家筆下的磁星想象圖由上夸克、下夸克和奇夸克中任意三個夸克組成的具有-3/2自旋的重子，這十種重子爲十重態。 圖源: Wikipedia）

去年，科學家們發現快速射電暴可能有助於解決失蹤的重子問題。當快速無線電波的輻射穿過隱藏的重子物質雲時，更容易減慢較紅的無線電波而不是較藍的無線電波的速度。通過分析來自快速射電暴的較紅和較藍信號到達地球的不同時間，研究人員可以估計出射電波沿途經過了多少重子物質。

帕斯托-馬拉蘇拉說，如果所有的快速射電暴都是裸露的，那麼用它們來測量宇宙中的重子物質就會容易得多，因爲科學家們將不必考慮它們周圍的環境可能會使重子估計發生偏差。

BY: Charles Q. Choi

FY: halogen

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