聒噪宇宙
2021-02-22 21:00

聒噪宇宙

本文来自微信公众号:中国国家天文(ID:chineseastronomy),作者:李菂、王培,头图来自:Wikipedia


前传:PSR1829-10的乌龙?PSR1257+12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。


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)。


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。


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。


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。


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(Breakthrough Listen Initiative Advisory Committee),(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。


本文来自微信公众号:中国国家天文(ID:chineseastronomy),作者:李菂、王培

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