撰文 / 牛晨輝 朱禹豪（中國科學院國家天文台）
近日，中國科學家藉助500米口徑球面射電望遠鏡（「中國天眼」）發現了世界首例持續活躍的重複快速射電暴FRB 20190520B。那麼，什麼是快速射電暴？「中國天眼」是如何捕捉到它們的？這項新發現有什麼重要意義呢？
01
別眨眼 有一束快速射電暴向你「飛」來
若能化身為「中國天眼」，我們就能「聽」到來自宇宙的「聲音」：137億年前，宇宙大爆炸時留下的微弱輻射信號；銀河系內，脈衝星發出的周期性脈衝；還有我們今天的主角——來自銀河系外的快速射電暴。
繪圖 / 駱玫
快速射電暴是一種高能天體物理現象，它跟微波、紅外線、紫外線等一樣，都是一種電磁波，目前觀測到的波長從幾厘米到1米，表現出波動性。
已發現的快速射電暴比例示意圖（繪圖 / 駱玫）
它的爆發時間只有1/1000秒。我們經常用「一眨眼的功夫」比喻極短的時間，人類眨一下眼睛的時間大約是0.75秒，由此可見快速射電暴是轉瞬即逝的。但是，在這麼短的時間內，它卻能釋放相當於太陽一整年輻射出的能量。
這麼高的能量會不會對地球產生影響呢？如果在太陽系周圍出現，那後果是不堪設想的。好在目前發現的快速射電暴大部分來自遙遠的銀河系外，雖然爆發出的能量巨大，但到達地球之後信號已經很微弱了。不僅不會對我們的生活造成影響，而且我們需要用「中國天眼」等設備才能感知其存在。
02
「中國天眼」
我要源源不斷接收「快樂」
在早期，科學家一直認為快速射電暴是「一次性」的，直到2016年才發現重複爆發的快速射電暴。但即便如此，短暫的邂逅仍不足以讓我們「看清」快速射電暴的「真容」。
而中國科學家在「中國天眼」的幫助下發現的快速射電暴，是世界首例持續活躍的重複快速射電暴（簡稱「重複暴」）。也就是說，截至目前，只有「中國天眼」源源不斷地接收了來自宇宙的「快樂」！這為科學家進一步揭開快速射電暴的起源、機制奠定了基礎。
03
快速射電暴的「家鄉」怎麼找？
除了快速射電暴之外，宇宙中還瀰漫著各種電磁波信號，我們是如何對它定位的呢？這就要提到色散現象。
生活中最常見的色散現象，是雨後太陽光照射到空中的雨滴，被折射、反射，形成彩虹。如果我們把電磁波的不同頻率成分類比成不同顏色的光，那麼，它們在傳播路徑中也會形成像彩虹一樣色彩斑斕的景象。
彩虹的形成原理（繪圖 / 周遊）
電磁波的色散現象與其傳播路徑中遇到的電子總數有關。電子好比雨滴，電磁波穿過的電子數越多，被色散得越厲害，不同頻率成分到達地球的時間間隔越久。通過計算不同頻率成分的時間延遲，我們就能得到電磁波在傳播時所經過的電子總數。通過比對測量到的電子總數與該方向銀河系內的電子數量，會發現大部分快速射電暴穿過的電子數量非常大，要遠遠高出該方向銀河系內的電子數，也就是說，大部分快速射電暴的「家鄉」都在銀河系外。
快速射電暴的動態譜展現。黑色線條為快速射電暴，顏色由藍到紅代表其頻率成分從高到低(供圖/朱禹豪)
「中國天眼」的貢獻使中國在快速射電暴研究領域站在了世界的第一梯隊，中國在天文設備的投入已經初顯成效，相信中國下一代年輕人一定可以在天文領域取得更多突破。我們是宇宙中的一粒沙，宇宙中存在著許多我們目前無法理解的極端天體物理現象。雖然現在我們尚未完全理解快速射電暴這種來自宇宙中的神秘電波，但隨著天文技術的發展以及觀測樣本的增加，我們有朝一日一定可以揭開它的神秘面紗，就像屈原在《離騷》中的感慨：「路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。」
「中國天眼」發展歷程
知識連結
世界首例持續活躍的重複快速射電暴
天文學的起源主要來自人類對周期性的認識。此前，快速射電暴研究的難點之一在於從單個事件數據里能推測出的信息太少，而如果存在重複暴的話，它的研究價值就會大很多，例如，重複讓它更易被精確定位，使我們能了解其所處的星系和在星系中的位置；從它重複爆發的亮度、時間等分布，還可以分析其爆發機制。
這次發現的FRB 20190520B是世界首例持續活躍的重複暴，十分珍貴。因為其他活躍重複暴只有在爆發窗口期才能探測到信號，而在「中國天眼」的後續跟蹤觀測中，FRB 20190520B從未停止爆發。
後經多台國際設備天地協同觀測，FRB 20190520B的「家鄉」被鎖定在一個距離地球30億光年的貧金屬矮星系，確認了在其附近區域擁有目前已知的最大電子密度，並發現了迄今第2個快速射電暴的持續射電源對應體。
「中國天眼」與快速射電暴
絕大多數的天文發現是由觀測設備的更新以及新技術應用所推動的。「中國天眼」是世界最大、靈敏度最高的單口徑射電望遠鏡，能發現其他射電望遠鏡發現不了的微弱信號。而且，它研究快速射電暴的優勢並不在於樣本數量，而更在於樣本質量。
由於快速射電暴在全天是隨機分布的，更大的視場有助於搜尋到更多的信號。為了擴大搜尋視場，「中國天眼」配備了19波束L波段接收機，仿佛明亮的眼睛，盯著不同方向，把原來的視場（望遠鏡所能看到的天空範圍）擴大了近19倍。不僅如此，「中國天眼」還可以利用地球自轉對天空進行漂移掃描。截至目前，它已經發現至少6例新快速射電暴，為揭示宇宙中這一神秘現象的機制、推進天文學這一全新領域的研究貢獻著自己的力量！
本文來自《知識就是力量》雜誌，原標題《來自宇宙中的神秘電波》，作者李鑒，有刪改，原創作品轉載請註明來源。