聒噪的宇宙：原本小眾的天文觀測，竟成為各國科技角力的戰(zhàn)場
2019年，FAST捕捉到來自第一個重復暴FRB121102的脈沖。圖中脈沖為FAST真實數據，左上為哈勃望遠鏡圖像，紅圈中為其宿主星系。
宇宙、天空……這些詞在文科生的語境里多是深邃、神秘、無窮盡的意味。 天空既是文學的，也是哲學的；既可以用來寄托，也可用來45°角仰望。實際上，20世紀中期以前，理科生的天空也多是如此波瀾不驚。雖有“至和元年五月已丑出天關東南”的超新星；“武王伐紂，東面而迎歲，至汜而水，至共頭而墜，彗星出，而授殷人其柄”的彗星；“夜有流星墜營中，晝有云如壞山，當營而隕，不及地尺而然，吏士皆厭伏?！钡碾E石等異象，但總體而言，這些變化的天空，并不常見，是為‘異’，于是便被賦予王朝興沒，或天降大神的種種昭示。
20世紀中期以來，特別是美蘇冷戰(zhàn)帶動的全球博弈，使得原本小眾的天文觀測成為通過科技競賽展開的國力競爭的重要一環(huán)。大量尖端技術被轉化，應用到深空探測，在科技大眾注視下的天空，漸漸聒噪起來。
撰文 | 李 菂（FAST首席科學家）
王 培（國家天文臺助理研究員）
上世紀60年代，美國用于監(jiān)測大氣層核爆的軍用系列衛(wèi)星“船帆座”（Vela），探測到來自宇宙的伽馬射線暴發(fā)。這些結果在1973年首次解密得到公開發(fā)表，這開創(chuàng)了天文學中一個高速發(fā)展的新領域——“伽馬射線暴”。由于高能設備成像能力弱，定位能力普遍較差，伽馬暴起源研究最開始的核心爭論，是其是否來自銀河系以外。
郵票中的VELA 衛(wèi)星觀測到強烈短暫的伽瑪射線輻射，這些衛(wèi)星是專門用來觀測蘇聯可能在地球大氣層進行核試驗時產生的伽瑪射線信號，來源／SVOM
90年代中期，通過對伽馬暴事件的迅速跟進，設備捕捉到其光學余暉，進而確定了伽馬暴來自具有宇宙學紅移的河外星系。這一成果確定了伽馬暴距離地球非常遙遠，是宇宙中已知最劇烈的電磁暴發(fā)。
隨后，多波段的詳盡觀測改變了這一切，原本數以百計豐富多彩的伽馬暴起源模型逐漸收斂到寥寥幾個，且大多與大質量恒星死亡和致密星演化相關。“理論家是頑童。富有想象力，擅長胡思亂想。實驗家是科學里的成年人，提供限制條件?！?nbsp;天文觀測家往往這樣打趣理論家。我第一次聽到類似的梗，就是在90年代中期康奈爾大學天文系參加每周邀請報告，介紹最新的伽馬暴余暉觀測的突破。
現有最靈敏的空間設備，一年可探測到數百次伽馬射線暴。而宇宙中存在著另一種頻繁出現的極端脈沖：快速射電暴（FRB）卻讓人摸不到頭腦。快速射電暴出現在射頻波段觀測，一次FRB的暴發(fā)只持續(xù)千分之幾秒，卻蘊含了太陽輻射1天甚至1年的能量。這些能量可以被平平無奇的小型射電天線探測，天線口徑只需10米級甚至更小，每天到達地球的快速射電暴數量成千上萬，這樣算來，快速射電暴應該早已被人類探測到。然而，這個頻段卻充斥著手機、藍牙、WI-FI聒噪信號，雖然人類早就擁有了探測它的技術和設備，卻在2007年才被發(fā)現，2013年才被確認——宇宙的精彩變化，依然遠遠超出了21世紀人類的想象。
快速射電暴的發(fā)現團隊和觀測技術完全來自脈沖星領域。脈沖星，特別是毫秒脈沖星發(fā)射特征時長為千分之一秒量級的短脈沖，并且具有嚴格的周期性。第一顆毫秒脈沖星B1937+21在1982年由庫爾卡尼（S. Kulkarni）利用當時世界最大口徑的阿雷西博望遠鏡發(fā)現。事實上， B1937+21脈沖很亮，完全可以被小望遠鏡先發(fā)現。庫爾卡尼決定性的貢獻是意識到阿雷西博的雷達數據采集系統具備遠快于天文終端的高速采樣能力，并將其應用到對陡譜射電點源4C21.53的監(jiān)測上。庫爾卡尼的觀測揭示了4C21.53是一個周期為1.558毫秒的脈沖星（B1937+21），也就是一分鐘完成642轉，只有高速采樣才能在時域上分辨出來的。庫爾卡尼首次發(fā)現毫秒脈沖星的跡象之后，他的導師貝克（Don Backer）和海爾斯（Carl Heiles）從美國本土趕到波多黎各，又經過了痛并快樂的艱難實驗，完成了信號驗證。庫爾卡尼和海爾斯跟我說起這段故事，這是他們整個學術生涯中最激動人心的經歷。
毫秒脈沖星的發(fā)現不僅揭示了一條脈沖星演化的新路徑，也為實現銀河尺度上的精確測時開辟了道路。毫秒脈沖星自傳快速且穩(wěn)定，精度可比原子鐘。太陽系外類地行星的發(fā)現獲得了2019年諾貝爾物理學獎，而這一領域的開篇之作，即第一顆系外行星的發(fā)現，便是通過精確測量毫秒脈沖星信號到達時間分析其殘差的規(guī)律完成的。雖然行星的質量遠小于其繞轉的脈沖星或中子星，這種效應在時間上并不如想象中那般微弱。
1991年7月，貝爾斯（Matthew Bailes）和萊恩（Andrew Lyne）等幾個人在《自然》雜志發(fā)表了第一例可能的系外行星探測。但在隨后的美國天文學年會上，萊恩宣布在重新修正脈沖星位置以后，周期為半年的信號沒有了。第一顆系外行星的發(fā)現不成立。他們盡快公布了修正的結果并對同行表示歉意。這種嚴謹和誠懇的態(tài)度受到普遍的肯定。
PSR1829-10的計時殘差，被解釋為第一例可能的系外行星信號（Bailes et al. 1991）。后來本文作者很快將其歸因于太陽系質心修正的不足。下圖為PSR1257+12的計時殘差，展現了第一個確認的系外行星系統 (Wolszczan 1993)?？梢钥吹絻蓚€系統的基本特征是類似的。
天體物理學家貝爾斯錯失了第一顆太陽系外行星的發(fā)現。
天體物理學家萊恩（右）陪同伯納德·洛弗爾爵士（中）參觀卓瑞爾河岸天文臺的洛弗爾射電望遠鏡。
然而，就在同一個會場，原籍波蘭的美國天文學家沃爾茨坎（Aleksander Wolszczan）又發(fā)言說，“順便告訴大家，我也找到一個系外行星候選體，希望這個是真的！”這情節(jié)，網絡小說也不敢這么寫吧！
沃爾茨坎和弗雷爾（Frail）通過對毫秒脈沖星PSR1257+12的精確計時，找到兩個接近地球質量的行星圍繞其轉動，周期分別為66.5天和98.2天，明顯區(qū)別于地球的公轉周期。這項成果在1992年的《自然》雜志發(fā)表后，他們又在1994年《科學》雜志發(fā)表了同一系統中的第三顆系外行星。
波蘭裔美國天文學家沃爾茨坎成為第一位發(fā)現太陽系外行星的人。來源／Poland
PSR1257+12是人類知道的第一個系外行星系統。也是迄今為止3000多個脈沖星周圍唯一一個測到行星的例子。然而，他卻錯失了諾貝爾獎?；蛟S從科學社會學的角度上，也很值得思索一下其中原由，究竟是脈沖星-行星系統的稀少？還是沃爾茨坎曾當過波蘭警察線人的經歷？這種臆測只有50年后才能實證檢驗了。
上帝沒有眷顧貝爾斯，或許還開了個小玩笑。但是上帝不能阻擋優(yōu)秀科學家的優(yōu)秀。十幾年后，貝爾斯已經是澳大利亞斯威本大學的教授，著作等身。一天他跑去關心他的同門師弟，洛里默（Duncan Lorimer）博士后，“最近看到什么有趣的東西？”洛里默面有難色：“這個嘛，有一個奇怪的東西?！?/span>
快速射電暴的發(fā)現者之一，天體物理學家洛里默。第一個被認證的快速射電暴便被稱為“洛里默暴”。
知道了系外行星發(fā)現的反轉戲劇，也知道了干擾排除的不確定性，洛里默回應貝爾斯提問時的為難就容易理解了。他從麥克勞林那里掌握了單脈沖搜索，作為一種開心的嘗試，仔細搜索了帕克斯望遠鏡數據，在大麥哲倫星云的邊緣方向，發(fā)現了一個超亮的、超高色散的脈沖。幸運的是，帕克斯望遠鏡裝備了多波束設備，也就是說在同一時間有來自相近天空方向的多位置采樣的數據。由于在不同波束看到同樣特征的信號，并且其相對強度與望遠鏡波束形狀大致吻合，使得洛里默有更多的信心：這是一個來自天空的信號。
但這個信號在至少一個波束飽和了，所以并不能精確確定流量，并且這個信號再也沒有重復過。一個令設備飽和的超高色散脈沖，如果是真實的，必然是來自遙遠空間的本征亮度極高的宇宙暴發(fā)。
一個來自近鄰矮星系M33方向的單脈沖候選體，取自McLaughlin & Cordes （2003），這有可能是人類第一次看到快速射電暴。
雖然洛里默繼續(xù)為難，雖然PSR1820-10消失的行星依然是個警示，貝爾斯還是建議他發(fā)表的這個信號。在他們2007年《科學》雜志上的著名發(fā)現文章中，富有遠見的指出，“類似的信號可能每天上百次出現。如果測量到，將成為宇宙探針”。這個信號被俗稱為“洛里默暴（Lorimer Burst）”，這是一種榮耀，更是負擔。貝爾斯在2018年繼續(xù)打趣道，“自打系外行星的戲劇之后，洛里默對我的意見總是格外小心。發(fā)表了這個奇怪的信號，他開始擔心類似的噩夢?！?/span>
2017年10月攝于筆者FAST現場辦公室。喝咖啡的各位分別為W. Coles(右一) J. Cordes(右二) G. Hobbs(右四) C. Heiles(左一)。
壞消息馬上就來了。微波爐被查出來也可能產生類似色散的特征。這讓學界加深了對“洛里默暴”這一孤證結果的懷疑。2010年， 麥克勞林和洛里默都已經是西弗吉尼亞大學的教授。恰在此時，麥克勞林和她的學生還合作完成了一篇文章，論述洛里默暴不太可能是銀河系外起源?！斑B家人都不相信自己，” 洛里默在國家天文臺報告時回憶“這真是我的至暗時刻?！?/span>
但同時，貝爾斯對這個結果卻保有信心，有所作為——上帝還能玩上癮了不成？他和伯克利的丹·維爾海默（Dan Werthimer）合作，開發(fā)了更適合捕捉這種轉瞬即逝的脈沖的數字終端。同時推動系統檢索帕克斯望遠鏡的脈沖星巡天數據。2013年，在帕克斯HTRU巡天數據中發(fā)現了4個暴發(fā)，首次以“宇宙距離上的快速射電暴”之名發(fā)表在《科學》雜志。洛里默暴從此也被稱作FRB 010724，而“快速射電暴”這個新稱謂也是新領域開始起飛。
伽馬射線暴和快速射電暴發(fā)現之后論文量和引用量變化曲線。
阿雷西博望遠鏡的一生中，寫滿了歷史性成果，盡管2000年以后，它的脈沖星搜索效果遠低于預期。但是，巨人就是巨人。
阿雷西博望遠鏡的信號接收平臺支撐塔尖折斷，整個平臺掉落在鏡面上，使得望遠鏡自身全毀。版權／Ricardo Arduengo
2015年，P-ALFA項目觀測中發(fā)現了FRB121102，并且確認其為第一個重復快速射電暴。這是個劃時代的發(fā)現，本身說明快速射電暴是一個可能重復的現象。更為重要的是這就給了確認對應體的努力一個守株待兔的機會。
2015年，丹·維爾海默來國家天文臺訪問。我說FAST將要有19波束，我們可以通過電壓捕捉，對來自FRB121102的超亮脈沖實現超過FAST衍射極限的定位。丹·維爾海默說“原理可以。但是我跟你打賭，FRB121102的定位會在FAST成功運行之前就完成”。
快速射電暴FRB121102的觀測數據
預言實現得很快。
康奈爾大學的查特吉（Shami Chatterjee）和NRAO的合作者提高了JVLA的時域采樣率，反復監(jiān)測FRB121102。而這個重復暴似乎帶有‘季節(jié)性’，也就是狂躁的時候非?；钴S，然后就是數月的沉寂。在最初數百小時一無所獲之后，FRB121102終于活躍起來。VLA一舉把位置精度從角分提高到角秒，使得后續(xù)認證成為可能。
澳大利亞的光學望遠鏡隨后測量了宿主星系的紅移，歐洲甚長基線干涉網進一步將定位精度提高到毫角秒，并且看到宿主星系中持續(xù)連續(xù)譜源的位置和FRB暴發(fā)位置存在可能的分離。這一結果發(fā)表在2017年《自然》雜志封面。從2003年的河外單脈沖跡象，到2007年是洛里默暴，再到2013年確認存在快速射電暴的樣本，直至2017年才真正確認了快速射電暴的宇宙學起源。
快速射電暴的起源至今未知。天文學家從伽馬射線暴、脈沖星（磁星）、黑洞、超新星爆炸等等角度給予了解釋。我們對于陌生的事件盡量要放進熟悉的框架中來。而觀測者則往往更享受發(fā)現陌生事物帶來的刺激和偶爾作為領域成年人的驕傲。
FAST發(fā)現的第一個FRB。在藍色區(qū)域內的微弱曲線，就是脈沖穿過星際和星系際空間，與電子相互作用產生的色散特征。版權／朱煒緯
我不敢接丹·維爾海默的賭約。2020年12月1日，射電天文學家熟悉并熱愛阿雷西博望遠鏡坍塌，而對它的緬懷還尚在第一步：震驚。
FAST沒能在第一時間參與快速射電暴的游戲，但是從來沒有停止建設相關能力，也從未放棄與其它項目一較短長的雄心。
2019年8月，FAST快速射電暴終端捕捉到FRB121102的脈沖，并通過《天文電報》提醒了同行其活躍期的到來。2020年，FAST在快速射電暴方向產生了兩篇《自然》雜志論文。
一切，才剛剛開始。
“
作者簡介
李菂
射電天文學者，發(fā)現了包括分子氧氣在內數種新星際分子，任FAST首席科學家，任突破基金會聆聽計劃指導委員，（曾）任平方公里陣（SKA）生命搖籃科學工作組組長。
王培
國家天文臺助理研究員，從事FAST-CRAFTS巡天的脈沖星和快速射電暴搜索與研究，搭建FAST脈沖星搜索數據庫，發(fā)現首顆FAST毫秒脈沖星。
”
制版編輯 | Morgan
