如何瞬间制造够人类用一亿年的能量？往磁星上丢块石头！（文字版）

Linvo说宇宙

2024-12-24 09:26发布于天津科普领域创作者

- 文字版 -

2007年的一天，美国西弗吉尼亚大学的本科生戴维·纳克维奇正在存档数据中寻找来自银河系内的脉冲星信号，此时，一个特殊的射电信号（FRB 010724）引起了他的注意。那是一个仅有5毫秒的射电暴发，从色散量分析，它的源头似乎并不在银河系内，而是位于16亿光年外的宇宙深空。这意味着，该射电源产生的能量相当巨大。据估算，在这5毫秒内，它释放的能量相当于我们的太阳一个月释放能量的总和！如果以目前人类消耗能量的方式，这些能量足以供我们使用几十亿年！

图片

此前，天文学家从没见过这种持续时间极短的高能射电信号。加上它就只出现了那么一次，属于偶然的瞬态事件，因此不少天文学家对此表示怀疑——莫不是误差或者干扰，毕竟，射电天文学的乌龙事件也不是啥新鲜事。于是，这件事就没有引起太多注意。
然而在此后的几年里，天文学界陆续观测到了几起类似的短暂射电暴发事件，于是人们渐渐重视起来，并为这类事件起了个专门的名字——“快速射电暴（Fast Radio Burst, FRB）”。如今，已确认的快速射电暴已有数百起，但是对于它们产生的原因，目前仍然众说纷纭。

图片

回看当初的那起快速射电暴（FRB 010724），5毫秒的时间，就是光也只能走1500公里。而光速是因果关系速度的上限，这意味着，引发爆炸的那个物体（或者区域）大小不会超过这个数字。更让人吃惊的是，天文学家曾发现过持续时间仅有几微秒的快速射电暴（FRB 20121102A），换算下来射电源的大小甚至只有几公里。
什么样的天体有如此实力的同时还能这么小巧，除了黑洞恐怕也只有中子星了。中子星尤其是脉冲星，它确实可以向外发射射电脉冲，不过这种脉冲并非一次性的偶然事件，而是有着周期性的特征。
那会不会是两颗中子星的合并呢？理论上中子星的合并过程确实可以非常快，仅仅几毫秒便可完成并合。只是中子星的合并过程往往会伴随其他的高能辐射，比如伽马射线暴（GRB）。但是研究小组在当时的存档数据中，并没有发现相应的伽马暴信号。
在众多理论模型中，目前接受度较高的是关于磁星的解释。所谓磁星，其实就是具有超强磁场的中子星，磁场强度可以达到地球磁场的万亿倍。理论认为，这种磁星的表面会喷射出耀斑粒子，它以极快的速度与周围的物质发生碰撞，该过程会释放出高能X射线以及射电辐射。前不久（2024年11月），一篇发表在《自然》上的文章进一步印证了关于磁星的解释。

图片

这是一篇关于快速射电暴发源地的研究。通过分析研究人员发现，快速射电暴更偏向出现在大质量恒星聚集的星系。这可能是由于这些星系的金属丰度更高，而星系的金属丰度决定了恒星的质量。大质量恒星才会诞生中子星，而富含金属的大质量恒星更有利于磁星的诞生。同时该研究也从一方面揭示了磁星的起源：大质量恒星由于内部缺乏对流机制，无法通过发电机原理产生强磁场，因此单个恒星坍缩成的中子星或许无法形成那么强的磁星；而当大质量恒星相互聚集时，恒星之间有更高的概率发生碰撞，所以大质量恒星的合并或许才是磁星的真正起源。
虽然人们普遍认为是磁星导致了快速射电暴的产生，但是磁星它究竟是通过何种方式产生的快速射电暴，目前仍然没有定论。除了那种磁星本身活动导致的可能性外，还有一种磁星被小天体撞击的假说也很流行。
你可能会想：“小行星才多大，能有多大能量，地球又不是没被撞过。”
要知道，中子星和地球那完全是两码事。一个是恒星级的质量，一个是行星级的质量。更重要的是，中子星人家是简并态的致密星，密度直逼原子核，每立方厘米可以高达上亿吨。因此，中子星周围的引力场极强，仅次于黑洞。假如一颗棉花糖接近中子星，它会被中子星的引力加速到每小时几百万公里，最后撞击释放的能量相当于同时引爆数枚氢弹！倘若是一颗直径1公里的小行星撞击磁星的话，它释放的能量确实与快速射电暴的能量相当。加上磁星还有着超强的磁场，它会加速带电粒子从而产生同步辐射，以至于导致快速射电暴的发生。
原理虽然能说通，那事件发生的概率对不对得上呢？前不久，一篇即将发表在《天体物理学杂志》的文章中，研究团队针对小天体撞击中子星的概率进行了详细的分析。

图片

通常认为，与中子星碰撞的小天体应该是类似奥陌陌那样的星际天体（ISO）。通过计算研究人员认为，一颗中子星与一颗星际天体发生碰撞的概率是极低的，银河系中大约每1000万年才会发生一次。不过，银河系不止一颗中子星，而宇宙也不只有银河系这一个星系，更何况还有数不清的星际天体。总之，他们认为宇宙中中子星与星际天体发生碰撞的速率与目前观察到的快速射电暴的发生速率相当，这就让该猜想的正确性又增加了一分。
此外，研究人员还给出了一个预言：中子星和星际天体的数量会随着宇宙年龄的增加而增加，这意味着快速射电暴的发生频率也应该随着宇宙年龄的增加而增加。不过对于这一猜想，还有待未来进一步验证。
然而，这个小天体撞击的理论即使将来被证明是正确的，那它也仍然无法解释关于快速射电暴的所有疑问，比如更加诡异的重复快速射电暴（Repeating Fast Radio Burst）。
前面提到的那些快速射电暴都是一次性的事件，但是有个别快速射电暴它会出现多次。比如2019年，“中国天眼（FAST）”曾在24秒内在同一位置探测到了四次射电暴发（FRB 20190520B）。后来，在第二年4月到9月的每月跟踪观测中，又在18.5小时内探测到了多达75次的射电暴发。难道这颗中子星真就这么倒霉，还是说它像之前的木星那样被苏梅克-列维9号彗星排队撞击。总之，这种短暂重复但又没什么规律的快速射电暴的起源更加让人疑惑，这让原本已经有些眉目的真相变得更加破朔迷离。
然而，这些意外发现的瞬态天文现象，往往会涉及高能物理甚至是极端物理。纵观历史，对瞬态天文现象的深入探索，不仅有力推动了天体物理学的蓬勃发展，同时也为基础物理学的突破带来了诸多启迪。 

[1] Dang Pham, Matthew J. Hopkins. et al. Fast Radio Bursts and Interstellar Objects. arXiv preprint arXiv:2411.09135 (2024)

[2] Snelders, M.P., Nimmo, K., Hessels, J.W.T. et al. Detection of ultra-fast radio bursts from FRB 20121102A. Nat Astron 7, 1486–1496 (2023).

[3] Niu, CH., Aggarwal, K., Li, D. et al. A repeating fast radio burst associated with a persistent radio source. Nature 606, 873–877 (2022).

[4] Sharma, K., Ravi, V., Connor, L. et al. Preferential occurrence of fast radio bursts in massive star-forming galaxies. Nature 635, 61–66 (2024). 

- END -

图片

↓ 内部交流 ↓

查看原图 17K