是巧合吗？快速射电暴在引力波事件后被探测到

朱宸宇

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原文作者：MICHELLE STARR

翻译：郭皓存

校对：牧夫校对组

编排：陶邦惠

后台：朱宸宇

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艺术家对中子星碰撞的想象图

来源：ESO/L. Calçada/M. Kornmesser

想象一下，地球上的探测器突然捕捉到来自宇宙的神秘信号，这些信号短暂得仅有几毫秒，却携带着惊人的能量。这就是“快速射电暴”（FRBs, Fast Radio Bursts），它们在射电波段中一闪而过，短短几毫秒内释放的能量相当于五亿个太阳那么多，然后就消失得无影无踪。关于它们的本质和起源，科学家们一直在探索，但现在，一项新的发现可能为我们揭开这神秘现象的面纱，带来一种之前从未见过的机制，让我们能更好地了解这个宇宙奥秘。

2019年4月25日，CHIME（加拿大氢强度映射实验, Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment）捕捉到了一次非重复性的明亮快速射电暴。而仅仅在2.5小时前，LIGO（激光干涉引力波天文台, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）记录下了一次引力波事件，源自两颗中子星不可避免地靠近并最终合并。快速射电暴在天空中的区域位于引力波事件的可信区域内（引力波事件的区域范围不确定性较大），且两者距离地球也差不多远。以西澳大学的Alexandra Moroianu为首的天文团队研究表明，这两次事件极有可能来自同一个源。

快速射电暴极具神秘性；只有很少部分会重复出现，大部分都只短暂出现一次，使得它们极为难以研究。曾经它们是要够幸运才能被探测到的现象，你必须在正确的时间研究正确的天空区域，但巡天调查的出现使探测数量增加到600多个。2020年，我们首次探测到来自银河系内的快速射电暴。相对近的距离让我们可以对这次事件有更多的了解——它被追溯到一种叫做磁星的中子星，这种天体强大的外部磁场与引力场相当，导致偶尔的星震和耀斑现象。尽管不安分的磁星提供了一种解释，我们并不知道这是不是就是快速射电暴背后的全部原因。因为快速射电暴之间常常差别很大，大概率有不止一种机制可以产生它们。

有几种理论都预测快速射电暴或与引力波之间存在关联，尤其是涉及到多个中子星的事件中。这些理论预测快速射电暴可能会在引力波探测过程中或之后被接收到。因此，Moroianu和她的团队开始在目录中寻找。2018年7月至2019年7月的CHIME观测目录与LIGO-Virgo（LIGO和室女座干涉仪共同分析才能确定引力波方向）当次的观测运行时间重叠，内含共171个快速射电暴事件。研究人员将这些事件与GWTC-2目录（LIGO和Virgo在第三次观测运行的上半年观测到的紧凑双星合并事件，包含了高度有信心的39次事件）进行交叉参考，寻找两者在时间和天空区域都相近的快速射电暴事件。结果是令人振奋的——有一对事件高度符合理论预期。

青色斑点代表FRB20190425A

红橙色区域代表GW20190425事件可能发生的天空范围

来源：Moroianu等，《自然·天文学》，2023

（GW开头为引力波事件，FRB开头为快速射电暴事件）

2019年4月25日08:18:05 UTC，LIGO观测到GW20190425。Virgo探测器没有探测到，约束了探测源产生的区域。事件距离地球约5.2亿光年，由两个中子星的合并产生。FRB20190425A在同一天的10:46:33 UTC被探测到，在LIGO确定的中子星合并可信区域（事件可能来源的天空范围）内，事件距离上限为5.9亿光年。研究团队计算得出，两个独立事件在上述距离、上述时间差、上述LIGO确定的天空范围内发生的概率仅为0.00019。结论为两次事件无关的概率极低，只会在极端巧合的情况出现。

这两个事件很可能源自星系UGC 10667，但具体产生本次快速射电暴的形成机制可能还需要更多的分析。目前研究团队认为这次快速射电暴事件是由一种近十年前提出的机制引起的，即当合并后的星体质量过大，其简并压无法抵抗引力吸引时，因自转减缓过临界值并开始塌缩，最终成为一个黑洞。研究人员写道：“尽管我们不能肯定地将本次（或有关联的）引力波-快速射电暴事件归于某个单一理论，但观测数据符合一种关联引力波、短伽玛射线暴（sGRB）和快速射电暴的理论，该理论描述了双中子星系统如何合并成磁星，并进一步塌缩成黑洞。”

译者注：该理论描述了双中子星系统合并后留下了一个超大质量、高度磁化的紧凑天体（磁星/坍闪星），由于自转减速导致角动量损失后，它塌缩形成了一个黑洞，并通过抛射磁层产生了快速射电暴。

校对注：大质量的中子星会由于内部简并压不足以抵抗自身引力作用而产生塌缩形成黑洞。而自转减慢（spin-down）效应是由于快速旋转的中子星持续向外辐射能量，不同的供能机制会导致不同速率的减慢，减慢速率大约在量级，因此中子星自转周期会逐渐增大；而根据目前的主流理论，在双中子星并合过程中由于损失角动量导致的自转减速并不是导致塌缩的直接原因。

“其中快速射电暴的生成机制被称为坍闪星机制（Blitzar mechanism），该机制通过了多种数值模拟的验证。在这个情景中，快速射电暴和引力波事件之间的2.5小时延迟来自于双中子星合并事件和超大质量中子星塌缩成黑洞之间的时间差。这个时间长度符合超大质量磁星延迟的理论范围，也和其它观测数据相符。”

GW20190425事件的双中子星质量高于银河系中探测到的大多数中子星双星，这些较低质量的双星在合并后会产生更稳定的重质中子星，这些重质中子星可存活更长时间并反复喷发快速射电暴，从而解释了少数重复的快速射电暴来源。

尽管目前这两个事件是否相关还有待进一步的确认，但毋庸置疑的是预估的双中子星合并事件频率远远低于我们目前观测到如FRB190425A 一样的快速射电暴事件的频率。这代表仅这单一一种理论无法解释我们射电天空上一刹花火的一朵朵神秘信号。更多的研究还会继续进行，但我们已离真理的终点更近一步。

这项研究已发表在《自然·天文学》杂志上。https://www.nature.com/articles/s41550-023-01917-x

责任编辑：郭皓存

牧夫新媒体编辑部