通过离散程度的测量，借由快速射电暴，确定宇宙结构

2022-10-25 15:56:36 来源：科普中国

超亮“快速射电暴”的巨大新目录可能揭示了宇宙的结构

【资料图】

加拿大氢强度测绘实验（Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment, CHIME）射电望远镜在投入使用的第一年中（2018年至2019年）便发现了535个新的快速射电暴。

（图解：CHIME望远镜，其上有一人。图源: Andre Renard/CHIME Collaboration）

如果肉眼可以看见无线电波，我们就会看到夜空中因快速射电暴（Fast Radio Bursts， FRBs）而定期亮起的闪光。但是我们必须反应足够快才能看到：快速射电暴所呈现的脉冲持续不到一眨眼的工夫，很快就消失得无影无踪。

国家航空航天局（NASA）的数据显示快速射电暴非常高能，在短短的千分之一秒内释放出的能量相当于太阳在一整年内所产生的。更重要的在于这种现象对科学界来说是一个相对较新的发现，在2007年才第一次探测到。快速射电暴是难以捉摸的，对于科学家而言，能观察到仅仅一次快速射电暴也得耗费巨多运气。不过加拿大的一架具有开创性的望远镜正成功以比以前快得多的速度探测快速射电暴，几乎仅凭一己之力便将人类历史上观测到的快速射电暴数量翻了两番。

在天文学会（American Astronomical Society, ASS）第238次会议上展示的新的快速射电暴目录，使科学家能够提出有关宇宙结构的全局问题。

（图解：艺术家对磁星在银河系中发射X射线和无线电波的描绘。图源: 空间局（ESA））

在过去，这些短暂而强大的脉冲就像一幅巨大拼图中的碎片们。然而现如今，加拿大氢强度测绘实验（Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment, CHIME）射电望远镜已经收集了足够多的碎片，研究人员可以从中看出哪些部分是相似的、哪些又是不同的，以及这些碎片是如何组合在一起的，从而更接近宇宙的全貌。快速射电暴之所以有可能回答宏观宇宙问题，是因为FRB有着一种叫做色散的主要特征。

“快速射电暴真正特殊之处在于色散特性，猝发信号在太空中传播时会被弥漫在宇宙中的等离子体扭曲。”麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology, MIT）卡夫里天体物理学和空间研究所的物理学家増井清在天文学会会议中这样说。

“我们可以精确地测量这种扭曲的程度，这样一来对于每一个快速射电暴，我们都能确切地知道它们通过了多少物质。这里面携带着射电暴从源头到我们这里所经历的宇宙结构的记录，正因如此我们认为这将成为研究宇宙的‘终极武器’。有了足够多的数据后，我们就可以将其用来测绘宇宙中所有物质位于何处、宇宙的结构是什么以及在广泛范围内是如何分布的。”

（图解：快速射电暴的大致位置。大的彩色圆点来自快速射电暴目录，圆点边缘的颜色表示探测到射电暴的天文台，圆点的颜色表示测得的离散程度。快速射电暴的离散程度介于176.4 pc cm-3到2596 pc cm-3之间。小白点表示来自澳大利亚望远镜国家设脉冲星目录的脉冲星分布，背景中的彩色地图显示了YMW16模型所模拟的银河系离散程度，离散地图和FRBs都有相同的DM色标，显示在色条上。图源: MeerTrap）

在CHIME投入运行的第一年（2018-2019年），该望远镜记录了535个新的快速射电暴。増井清和其他团队成员测量了这些快速射电暴中每一个射电暴的色散情况和分布位置。根据麻省理工学院一份详细介绍这项新工作的声明，他们发现这些快速射电暴均匀地分布在太空中，“似乎来自天空的角角落落”。

天文学家目前认为，像中子星这样的物体——特别是一种被称为磁星的类型——是快速射电暴的来源。源头被确定为比其他源头更靠近地球的快速射电暴的色散对科学家来说特别有趣，因为在仪器进行自己的观测时，能力有限的额外地球仪器可能能够提供关于这些源头的新数据角度。

（图解：中子星（neutron star），是巨大的恒星演化到末期发生超新星爆炸之后产生的，恒星的核心塌陷，质子和电子基本上相互融化，形成中子。图源: NASA/Dana Berry）

然而，増井清和他的同事们发现，大多数快速射电暴的来源坐落于遥远的星系中。这些超亮的射电暴经由星际气体和等离子体向地球行进。

“快速射电暴样本量足够大，就能开启无数的可能性。举例来说，我们现在正处于使用快速射电暴作为宇宙学探测器的时代。”加拿大麦吉尔大学物理学博士生亚历克斯·约瑟菲在麦吉尔大学关于这项新工作的声明中说，“我们可以开始将注意力转向大规模结构——成千上万的星系团。我们可以帮助绘制宇宙暗物质的分布图，并研究我们整个宇宙历史中物质的演变。”

想象一下，一个缓慢放大的视角，从地球开始，然后后退以显示整个太阳系、然后是银河系、我们的本地星系团、室女座超星系团，等等等等，直到你到达宏观宇宙。像CHIME这样的新工具可能会支持下一个重大的宇宙学突破，每有一次超亮闪光便能拼凑一块将宇宙拼图。

BY: Doris Elin Urrutia

FY: halogen

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关键词：宇宙结构无线电波