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中国天眼这项重大发现,让我们更好理解宇宙起源|新京报专栏

▲2021年3月29日在维护保养期间拍摄的被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜(FAST)。图/新华社

3月18日,国际著名的《科学》杂志刊发了快速射电暴研究的新进展。这是一项由“中国天眼”FAST与之江实验室科学家联手取得的最新科研成果。消息经由媒体报道后,引发了舆论广泛关注。

然而,中国天眼到底获得了什么新发现,这一发现有什么意义?新闻报道均语焉不详,但很多天文爱好者又很关心。

什么是“快速射电暴”?

快速射电暴的字面意义非常好理解。快速,是指持续的时间极为短暂,一次快速射电暴往往只持续千分之一秒到百万分之一秒。

“射电”是天文学的专用名词,其他学科一般称为无线电波。地球大气层虽然有云雾和气体分子遮挡,但对无线电波却是透明的,所以用射电望远镜可以接收到来自宇宙深处的无线电波。

“暴”也是天文学常用的名词,除了射电暴,还有伽马暴,差别在于爆发的能量集中在电磁波谱的不同波段。一次快速射电暴释放的能量,相当于太阳在1天中释放的能量总和。

快速射电暴是指在极短的时间内释放出巨大能量的天文现象。因其只在无线电波段有能量的集中爆发,而在人类更容易感知的光学波段,却没有异常现象,所以无法借助光学望远镜进行观测。

快速射电暴这种极端现象到底是如何产生的,是这些年天文界关注的前沿课题。各国的天文学家先后提出了十几种不同的理论假说,来解释其成因。

但究竟哪一种理论更接近真实的物理过程,一方面要收集到足够多的案例进行统计分析,另一方面也有赖于观测精度的提升。也就是说,既要见多识广,更要耳聪目明,才能搞清楚这种神秘现象的成因。

加拿大的CHIME望远镜于2017年开始观测,原本计划的研究目标是宇宙学,但在巡天过程中,发现了数百个快速射电暴,从中又发现了一批重复爆发的快速射电暴(重复暴),被称为快速射电暴的收割机。

一些天文学家曾经以为快速射电暴是一次性发作,也被因此证明是不对的。重复暴的发现,为中国天眼提供了施展“才华”的舞台。因为,中国天眼的最大优势就在于灵敏度高,拥有像鹰一样的眼睛,目力极强。

何以暴露“藏身之地”?

宇宙是一个天然的巨型实验室,人类能够创造的实验条件,与宇宙中的极端条件完全无法比拟。因此,从某种意义上说,天文观测是科学家在观察宇宙中的实验现象,希望从中发现天文现象背后的原因。

此次,天文学家利用中国天眼对这些重复暴的观测,结合美国的绿岸望远镜、澳大利亚平方公里阵列先导阵(ASKAP)等其他望远镜的观测结果,提出了一种物理机制,可以准确锁定重复暴的“案发现场”。

天文学家发现,重复暴形成于超新星爆发留下的遗迹中。而1054年,我国宋朝天文学家观测到夜空中的某个方向突然变亮并记录下来,成为历史上首次记录的超新星爆发目击事件。我们现在观测到的蟹状星云,就是那次超新星爆发留下的遗迹。

那么,天文学家又是靠什么“刑侦手段”,发现重复暴与超新星爆发遗迹之间的关系的呢?

原来,超新星爆发后,会形成一大片由致密的自由电子气体组成的星云物质,呈现出纤维状、不均匀分布的结构,其中会形成中子星。如果中子星由于某种原因受到扰动,就会发出一阵强烈辐射,这就是快速射电暴。

这种强烈辐射要在星云中经过复杂的散射,才能穿透进入星际空间,以光速飞向地球。无线电波在穿过星云时,一些信号特征会发生改变,正是这些特征变化,暴露了重复暴的藏身之地。

宇宙之大,无奇不有。解决了一个问题,就会有更多的问题产生。接下来,天文学家要面对的问题是,重复暴是不是真的就像上面说的那样产生的,还是有其他的物理机制,需要收集更多的案例进行验证。

此外,由于快速射电暴持续的时间极短,产生的能量极大,与宇宙起源时的大爆炸过程存在某种相似性。因此,对快速射电暴的研究,或许有助于我们更好地理解宇宙的起源。

期待春暖花开之后,中国天眼能获得更多的新发现,成为用科学鼓舞人类前行的一股力量。

新京报特约撰稿人 | 长桥(天文科普作家)

编辑 | 迟道华

校对 | 卢茜



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原文地址《 中国天眼这项重大发现,让我们更好理解宇宙起源|新京报专栏》发布于2022-3-22
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