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天文学家在邻近古老球状星团侦测到快速电波爆FRB 20200120E

天文学家在邻近古老球状星团侦测到快速电波爆FRB 20200120E

天文学家在邻近古老球状星团侦测到快速电波爆FRB 20200120E

据美国国家地理(撰文:NADIA DRAKE编译:邱彦纶):天文学家在邻近的古老星团侦测到快速电波爆,这是我们所观测到最神秘的现象之一。

一座邻近星系释放出了明亮又短暂的无线电波爆发,使天文学界的最大谜团因此变得更加扑朔迷离。不断爆发的能量似乎来自一群称为球状星团(globular cluster)的古老恒星,这是天文学家眼中最不可能发生无线电波爆发的地方之一。

快速电波爆(fast radio bursts,简称FRBs)通常来自数十亿光年之外,是一种异常明亮且稍纵即逝的无线电波爆发。天文学家在2007年首次探测到这种现象,但一直无法解释其成因。科学家根据到目前为止的观测情形,推测这种爆发源自一种寿命相当短暂的年轻天体:磁星(magnetar)。

但根据发表在arXiv科学预印本伺服器的一篇论文表示,一起去年观测到的快速电波爆却源自约1170万光年之外、位于M81螺旋星系附近的球状星团。在一群古老的恒星中发现快速电波爆,就像在巨石阵里发现智慧型手机一样──根本说不通。

「我们完全没想到会在这里找到快速电波爆,」这篇最新论文的共同作者──多伦多大学的天文学家布莱恩.庚斯勒(Bryan Gaensler)在推特(Twitter)上这么说:「到底发生了什么事?」

科学家很难解释宇宙中的时代谬误现象,他们得到的结论是──快速电波爆和其他许多天象一样,可能有很多种成因。

「快速电波爆很可能是一种普遍现象,有很多种可能的来源,」康乃尔大学天文学家沙米.查特吉(Shami Chatterjee)说。他也在研究快速电波爆,但没有参与此次的研究。

「这里发生什么事了?」

2020年1月,科学家利用加拿大氢强度测绘实验(Canada Hydrogen Intensity Mapping Experiment,简称CHIME)望远镜发现了这次名为FRB 20200120E的爆发。事实证明,这架望远镜是发现快速电波爆的利器。在2017年这台望远镜启用之时,科学家发现的快速电波爆还不到30次;现在有了这台望远镜,快速电波爆的侦测次数已暴增到超过1000次。

FRB 20200120E和其他至少20多个已知的电波爆一样,会重复发生──像是个可以多次产生可侦测无线电波爆发的太空发动机,而不是只爆发一次就消失无踪。虽然它的爆发不像数十亿光年之外遥远宇宙的那些电波爆那么明亮,但去年科学家仍确定了这个快速电波爆在天空中的位置。

研究团队可以据此尝试确认电波爆的来源。电波爆的观测数据显示FRB 20200120E非常近,所以天文学家知道他们所寻找的东西就在不远之处,甚至可能就在银河系充满气体和极少恒星的银晕之中。接下来,科学家利用欧洲超长基线干涉网(European Very Long Baseline Interferometry Network)的无线电波望远镜网路,来确定爆发的确切位置。

这篇研究论文这么说:「最后我们证实,FRB 20200120E与M81星系中的球状星团有关,因此也得知它的距离比其他任何已知的银河系外快速电波爆还要近了40倍。」

「解释这个快速电波爆的起源让事情变得非常、非常地有趣,」查特吉说:「很难套用已知的模型。」

球状星团是可观测宇宙中最古老的天体之一。它们已经存在了数十亿年,至少和它们绕行运转的星系一样历史悠久,甚至可能更为古老。直到现在,科学家强烈怀疑快速电波爆是由迄今观测到最年轻的致密天体──磁星所产生。这是年轻的大质量恒星在爆炸死亡后,所形成的强磁场闪焰恒星残骸。磁星一旦形成,还会苟延残喘数万年之久,直到磁场衰减,留下一颗平凡无奇的中子星。

但根据天文学家目前所知,这些闪闪发光的致密球状星团内,并没有会坍缩成磁星的这种狂暴恒星。

「整个宇宙到处都会形成这样的恒星,甚至我们银河系的很多地方也是如此,但不会是在球状星团里,」西北大学研究球状星团的克莱儿.叶(Claire Ye)这么说:「问题来了,这里发生什么事了?」

磁场极强、密度极高的恒星

科学家用了将近15年的时间,才解开快速电波爆的谜团。最初的假设包括蒸发的黑洞、发生闪焰的死亡恒星、致密天体碰撞,甚至还有外星科技──别想太多,这不是外星人搞的鬼!更多的线索──从电波爆的奈米级结构,到持续时间只有数毫秒、爆发力极强──显示,它们一定来自密度极高的致密天体。

因此,科学家转而考量黑洞和中子星等天体,它们是大质量恒星爆炸形成超新星后的产物。之后的观测结果显示,有些爆发源自磁场极强的区域,进一步说明这些神秘的讯号可能来自于磁星。

然而去年银河系中的一颗磁星产生了类似快速电波爆的无线电波爆发。这次爆发比来自半个宇宙外的强大爆发略弱一些,但科学家确信,他们的研究方向是正确的。

「自从看到银河系的磁星产生类似快速电波爆的无线电波爆发后,我们更加确信快速电波爆来自磁星的说法,」哥伦比亚大学和弗拉迪朗研究所(Flatiron Institute)的布莱恩.梅茨格(Brian Metzger)表示:「理论学家和观测学家都对磁星的假说相当满意。」

但这个状况并没有持续很久,随着FRB 20200120E的发现,现在天文学家需要弄清楚磁星是如何在球状星团形成并存活下来,或是他们得要解释一群非常古老又安静的恒星如何产生如此威力十足的爆发?这两个问题都很难回答。

合理的解释

天文学家认为,虽然球状星团里没有磁星,但其他类型的恒星残骸应该非常多。类似太阳的恒星在膨胀成红巨星后死亡时,会形成白矮星,而更大的超新星爆发则会形成中子星,这些天体可能在球状星团还年轻时就已经存在。

当两颗中子星或两颗白矮星碰撞并融合,或是一颗有着绕行伴星的白矮星因获取大量质量而坍缩成一颗新生的中子星,就有可能会产生磁星。然而目前为止,我们还没有观察到以这些方式诞生的磁星。

西北大学的克莱儿.叶认为,我们需要寻找其他在这些星团中形成磁星的方式,并探讨其他种类的恒星是否也可能为快速电波爆提供能量。她还表示,收集更多有关这个特殊星团的资讯,对研究有何其他原因可能造成这种壮丽爆发来说相当重要。

「有各式各样的球状星团,」她说,「有些比较致密,有些比较松散,在不一样的星团里就会看到不同的后果。」

梅茨格还指出,在没有磁星的情况下,也有可能产生类似快速电波爆的现象,比如两颗彼此绕转的中子星就会产生类似快速电波爆的爆发,在黑洞周围绕行旋转的狂暴吸积盘偶尔也会产生喷流和闪耀。他表示:「我倾向认为那里有除了磁星以外的天体造成电波爆。」

查特吉也同意这一点,他补充说明,「可能有部分的快速电波爆与磁星无关,而与某种黑洞喷流现象有关。」

或许有很多种机制能够产生快速电波爆,就像伽玛射线爆一样。自1960年代一颗军事卫星发现伽玛射线爆,天文学家在之后的数十年里一直为此困惑不已。现在,我们知道强大的超新星或是中子星碰撞都会产生这种能量巨大的伽玛射线闪光。

「大自然发现有两种形成伽玛射线爆的方法,」梅茨格说:「我认为,我们看到的快速电波爆也是这样的情形。」

机器头条新闻 news.ji-qi.com)综合整理。

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