聒噪的宇宙:原本小众的天文观测,竟成为各国科技角力的战场

赛先生 2021-03-01 19:42

2019年,FAST捕捉到来自第一个重复暴FRB121102的脉冲。图中脉冲为FAST真实数据,左上为哈勃望远镜图像,红圈中为其宿主星系。


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导读


宇宙、天空……这些词在文科生的语境里多是深邃、神秘、无穷尽的意味。 天空既是文学的,也是哲学的;既可以用来寄托,也可用来45°角仰望。实际上,20世纪中期以前,理科生的天空也多是如此波澜不惊。虽有“至和元年五月已丑出天关东南”的超新星;“武王伐纣,东面而迎岁,至汜而水,至共头而坠,彗星出,而授殷人其柄”的彗星;“夜有流星坠营中,昼有云如坏山,当营而陨,不及地尺而然,吏士皆厌伏。”的陨石等异象,但总体而言,这些变化的天空,并不常见,是为‘异’,于是便被赋予王朝兴没,或天降大神的种种昭示。


20世纪中期以来,特别是美苏冷战带动的全球博弈,使得原本小众的天文观测成为通过科技竞赛展开的国力竞争的重要一环。大量尖端技术被转化,应用到深空探测,在科技大众注视下的天空,渐渐聒噪起来。


撰文 | 李   菂(FAST首席科学家)

         王   培(国家天文台助理研究员)


01

伽马暴的顽童梗


上世纪60年代,美国用于监测大气层核爆的军用系列卫星“船帆座”(Vela),探测到来自宇宙的伽马射线暴发。这些结果在1973年首次解密得到公开发表,这开创了天文学中一个高速发展的新领域——“伽马射线暴”。由于高能设备成像能力弱,定位能力普遍较差,伽马暴起源研究最开始的核心争论,是其是否来自银河系以外。


邮票中的VELA 卫星观测到强烈短暂的伽玛射线辐射,这些卫星是专门用来观测苏联可能在地球大气层进行核试验时产生的伽玛射线信号,来源/SVOM


90年代中期,通过对伽马暴事件的迅速跟进,设备捕捉到其光学余晖,进而确定了伽马暴来自具有宇宙学红移的河外星系。这一成果确定了伽马暴距离地球非常遥远,是宇宙中已知最剧烈的电磁暴发。


随后,多波段的详尽观测改变了这一切,原本数以百计丰富多彩的伽马暴起源模型逐渐收敛到寥寥几个,且大多与大质量恒星死亡和致密星演化相关。“理论家是顽童。富有想象力,擅长胡思乱想。实验家是科学里的成年人,提供限制条件。” 天文观测家往往这样打趣理论家。我第一次听到类似的梗,就是在90年代中期康奈尔大学天文系参加每周邀请报告,介绍最新的伽马暴余晖观测的突破。


02

第一颗毫秒脉冲星B1937+21, 阿雷西博的里程碑


现有最灵敏的空间设备,一年可探测到数百次伽马射线暴。而宇宙中存在着另一种频繁出现的极端脉冲:快速射电暴(FRB)却让人摸不到头脑。快速射电暴出现在射频波段观测,一次FRB的暴发只持续千分之几秒,却蕴含了太阳辐射1天甚至1年的能量。这些能量可以被平平无奇的小型射电天线探测,天线口径只需10米级甚至更小,每天到达地球的快速射电暴数量成千上万,这样算来,快速射电暴应该早已被人类探测到。然而,这个频段却充斥着手机、蓝牙、WI-FI聒噪信号,虽然人类早就拥有了探测它的技术和设备,却在2007年才被发现,2013年才被确认——宇宙的精彩变化,依然远远超出了21世纪人类的想象。


快速射电暴的发现团队和观测技术完全来自脉冲星领域。脉冲星,特别是毫秒脉冲星发射特征时长为千分之一秒量级的短脉冲,并且具有严格的周期性。第一颗毫秒脉冲星B1937+21在1982年由库尔卡尼(S. Kulkarni)利用当时世界最大口径的阿雷西博望远镜发现。事实上, B1937+21脉冲很亮,完全可以被小望远镜先发现。库尔卡尼决定性的贡献是意识到阿雷西博的雷达数据采集系统具备远快于天文终端的高速采样能力,并将其应用到对陡谱射电点源4C21.53的监测上。库尔卡尼的观测揭示了4C21.53是一个周期为1.558毫秒的脉冲星(B1937+21),也就是一分钟完成642转,只有高速采样才能在时域上分辨出来的。库尔卡尼首次发现毫秒脉冲星的迹象之后,他的导师贝克(Don Backer)和海尔斯(Carl Heiles)从美国本土赶到波多黎各,又经过了痛并快乐的艰难实验,完成了信号验证。库尔卡尼和海尔斯跟我说起这段故事,这是他们整个学术生涯中最激动人心的经历。


毫秒脉冲星的发现不仅揭示了一条脉冲星演化的新路径,也为实现银河尺度上的精确测时开辟了道路。毫秒脉冲星自传快速且稳定,精度可比原子钟。太阳系外类地行星的发现获得了2019年诺贝尔物理学奖,而这一领域的开篇之作,即第一颗系外行星的发现,便是通过精确测量毫秒脉冲星信号到达时间分析其残差的规律完成的。虽然行星的质量远小于其绕转的脉冲星或中子星,这种效应在时间上并不如想象中那般微弱。


03

前传:“乌龙”之后,系外行星的三体


1991年7月,贝尔斯(Matthew Bailes)和莱恩(Andrew Lyne)等几个人在《自然》杂志发表了第一例可能的系外行星探测。但在随后的美国天文学年会上,莱恩宣布在重新修正脉冲星位置以后,周期为半年的信号没有了。第一颗系外行星的发现不成立。他们尽快公布了修正的结果并对同行表示歉意。这种严谨和诚恳的态度受到普遍的肯定。


PSR1829-10的计时残差,被解释为第一例可能的系外行星信号(Bailes et al. 1991)。后来本文作者很快将其归因于太阳系质心修正的不足。下图为PSR1257+12的计时残差,展现了第一个确认的系外行星系统 (Wolszczan 1993)。可以看到两个系统的基本特征是类似的。


天体物理学家贝尔斯错失了第一颗太阳系外行星的发现。


天体物理学家莱恩(右)陪同伯纳德·洛弗尔爵士(中)参观卓瑞尔河岸天文台的洛弗尔射电望远镜。


然而,就在同一个会场,原籍波兰的美国天文学家沃尔茨坎(Aleksander Wolszczan)又发言说,“顺便告诉大家,我也找到一个系外行星候选体,希望这个是真的!”这情节,网络小说也不敢这么写吧!


沃尔茨坎和弗雷尔(Frail)通过对毫秒脉冲星PSR1257+12的精确计时,找到两个接近地球质量的行星围绕其转动,周期分别为66.5天和98.2天,明显区别于地球的公转周期。这项成果在1992年的《自然》杂志发表后,他们又在1994年《科学》杂志发表了同一系统中的第三颗系外行星。


波兰裔美国天文学家沃尔茨坎成为第一位发现太阳系外行星的人。来源/Poland


PSR1257+12是人类知道的第一个系外行星系统。也是迄今为止3000多个脉冲星周围唯一一个测到行星的例子。然而,他却错失了诺贝尔奖。或许从科学社会学的角度上,也很值得思索一下其中原由,究竟是脉冲星-行星系统的稀少?还是沃尔茨坎曾当过波兰警察线人的经历?这种臆测只有50年后才能实证检验了。


04

序幕:奇怪的东西,洛里默暴


上帝没有眷顾贝尔斯,或许还开了个小玩笑。但是上帝不能阻挡优秀科学家的优秀。十几年后,贝尔斯已经是澳大利亚斯威本大学的教授,著作等身。一天他跑去关心他的同门师弟,洛里默(Duncan Lorimer)博士后,“最近看到什么有趣的东西?”洛里默面有难色:“这个嘛,有一个奇怪的东西。”


快速射电暴的发现者之一,天体物理学家洛里默。第一个被认证的快速射电暴便被称为“洛里默暴”。


知道了系外行星发现的反转戏剧,也知道了干扰排除的不确定性,洛里默回应贝尔斯提问时的为难就容易理解了。他从麦克劳林那里掌握了单脉冲搜索,作为一种开心的尝试,仔细搜索了帕克斯望远镜数据,在大麦哲伦星云的边缘方向,发现了一个超亮的、超高色散的脉冲。幸运的是,帕克斯望远镜装备了多波束设备,也就是说在同一时间有来自相近天空方向的多位置采样的数据。由于在不同波束看到同样特征的信号,并且其相对强度与望远镜波束形状大致吻合,使得洛里默有更多的信心:这是一个来自天空的信号。


但这个信号在至少一个波束饱和了,所以并不能精确确定流量,并且这个信号再也没有重复过。一个令设备饱和的超高色散脉冲,如果是真实的,必然是来自遥远空间的本征亮度极高的宇宙暴发。


一个来自近邻矮星系M33方向的单脉冲候选体,取自McLaughlin & Cordes (2003),这有可能是人类第一次看到快速射电暴。


虽然洛里默继续为难,虽然PSR1820-10消失的行星依然是个警示,贝尔斯还是建议他发表的这个信号。在他们2007年《科学》杂志上的著名发现文章中,富有远见的指出,“类似的信号可能每天上百次出现。如果测量到,将成为宇宙探针”。这个信号被俗称为“洛里默暴(Lorimer Burst)”,这是一种荣耀,更是负担。贝尔斯在2018年继续打趣道,“自打系外行星的戏剧之后,洛里默对我的意见总是格外小心。发表了这个奇怪的信号,他开始担心类似的噩梦。”


2017年10月摄于笔者FAST现场办公室。喝咖啡的各位分别为W. Coles(右一) J. Cordes(右二) G. Hobbs(右四) C. Heiles(左一)。


05

反转:微波炉的坏消息


坏消息马上就来了。微波炉被查出来也可能产生类似色散的特征。这让学界加深了对“洛里默暴”这一孤证结果的怀疑。2010年, 麦克劳林和洛里默都已经是西弗吉尼亚大学的教授。恰在此时,麦克劳林和她的学生还合作完成了一篇文章,论述洛里默暴不太可能是银河系外起源。“连家人都不相信自己,” 洛里默在国家天文台报告时回忆“这真是我的至暗时刻。”


但同时,贝尔斯对这个结果却保有信心,有所作为——上帝还能玩上瘾了不成?他和伯克利的丹·维尔海默(Dan Werthimer)合作,开发了更适合捕捉这种转瞬即逝的脉冲的数字终端。同时推动系统检索帕克斯望远镜的脉冲星巡天数据。2013年,在帕克斯HTRU巡天数据中发现了4个暴发,首次以“宇宙距离上的快速射电暴”之名发表在《科学》杂志。洛里默暴从此也被称作FRB 010724,而“快速射电暴”这个新称谓也是新领域开始起飞。


伽马射线暴和快速射电暴发现之后论文量和引用量变化曲线。


06

尾声:赌局


阿雷西博望远镜的一生中,写满了历史性成果,尽管2000年以后,它的脉冲星搜索效果远低于预期。但是,巨人就是巨人。


阿雷西博望远镜的信号接收平台支撑塔尖折断,整个平台掉落在镜面上,使得望远镜自身全毁。版权/Ricardo Arduengo


2015年,P-ALFA项目观测中发现了FRB121102,并且确认其为第一个重复快速射电暴。这是个划时代的发现,本身说明快速射电暴是一个可能重复的现象。更为重要的是这就给了确认对应体的努力一个守株待兔的机会。


2015年,丹·维尔海默来国家天文台访问。我说FAST将要有19波束,我们可以通过电压捕捉,对来自FRB121102的超亮脉冲实现超过FAST衍射极限的定位。丹·维尔海默说“原理可以。但是我跟你打赌,FRB121102的定位会在FAST成功运行之前就完成”。


快速射电暴FRB121102的观测数据


预言实现得很快。


康奈尔大学的查特吉(Shami Chatterjee)和NRAO的合作者提高了JVLA的时域采样率,反复监测FRB121102。而这个重复暴似乎带有‘季节性’,也就是狂躁的时候非常活跃,然后就是数月的沉寂。在最初数百小时一无所获之后,FRB121102终于活跃起来。VLA一举把位置精度从角分提高到角秒,使得后续认证成为可能。


澳大利亚的光学望远镜随后测量了宿主星系的红移,欧洲甚长基线干涉网进一步将定位精度提高到毫角秒,并且看到宿主星系中持续连续谱源的位置和FRB暴发位置存在可能的分离。这一结果发表在2017年《自然》杂志封面。从2003年的河外单脉冲迹象,到2007年是洛里默暴,再到2013年确认存在快速射电暴的样本,直至2017年才真正确认了快速射电暴的宇宙学起源。


快速射电暴的起源至今未知。天文学家从伽马射线暴、脉冲星(磁星)、黑洞、超新星爆炸等等角度给予了解释。我们对于陌生的事件尽量要放进熟悉的框架中来。而观测者则往往更享受发现陌生事物带来的刺激和偶尔作为领域成年人的骄傲。


FAST发现的第一个FRB。在蓝色区域内的微弱曲线,就是脉冲穿过星际和星系际空间,与电子相互作用产生的色散特征。版权/朱炜纬


我不敢接丹·维尔海默的赌约。2020年12月1日,射电天文学家熟悉并热爱阿雷西博望远镜坍塌,而对它的缅怀还尚在第一步:震惊。

FAST没能在第一时间参与快速射电暴的游戏,但是从来没有停止建设相关能力,也从未放弃与其它项目一较短长的雄心。

2019年8月,FAST快速射电暴终端捕捉到FRB121102的脉冲,并通过《天文电报》提醒了同行其活跃期的到来。2020年,FAST在快速射电暴方向产生了两篇《自然》杂志论文。

一切,才刚刚开始。



 

 作者简介 

李菂

射电天文学者,发现了包括分子氧气在内数种新星际分子,任FAST首席科学家,任突破基金会聆听计划指导委员,(曾)任平方公里阵(SKA)生命摇篮科学工作组组长。


王培

国家天文台助理研究员,从事FAST-CRAFTS巡天的脉冲星和快速射电暴搜索与研究,搭建FAST脉冲星搜索数据库,发现首颗FAST毫秒脉冲星。



制版编辑 | Morgan


赛先生

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