天文太空

夜空神秘閃爆

天文學家意外觀測到來自宇宙深處強烈的短暫訊號,但成因至今不明。他們期望陸續啟用的望遠鏡,能釐清閃爆的真相與來源。

撰文/羅立莫(Duncan Lorimer)、邁克勞林(Maura McLaughlin)
翻譯/李沃龍

天文太空

夜空神秘閃爆

天文學家意外觀測到來自宇宙深處強烈的短暫訊號,但成因至今不明。他們期望陸續啟用的望遠鏡,能釐清閃爆的真相與來源。

撰文/羅立莫(Duncan Lorimer)、邁克勞林(Maura McLaughlin)
翻譯/李沃龍


2007年春初,美國西維吉尼亞大學的學生納科維奇(David Narkevic)帶著一些新消息來找我們;當時他主修物理學,而我們才剛第一年擔任助理教授,我們交付他一項任務,要他檢視大小麥哲倫雲的觀測數據。納科維奇向來內斂,那天他打開一幅圖,上面記錄的訊號比望遠鏡電子儀器的背景雜訊還強100倍,他語氣平淡說:「我發現了一些有趣的東西。」第一眼看來,他似乎找到了我們正在尋找的目標──波霎(pulsar),微小明亮而類似恆星的天體。


這種有強大磁場的緻密天體旋轉時,會發出光束橫掃天際,看來如同忽亮忽暗的燈塔。當時,天文學家已知將近2000個波霎,而我們正主持一項搜尋超明亮遙遠波霎的研究。這項搜索運用邁克勞林(本文作者之一)與她在研究所時的指導教授剛開發出來的軟體,在電波觀測數據中尋找個別波霎。該程式藉由脈衝頻散(pulse dispersion)效應進行搜尋,原理是:當無線電波在太空中傳播時,星際介質中的自由電子會使電波散射,就像稜鏡使光波依頻率偏折色散一樣。高頻電波受到自由電子散射後的傳播速度比低頻電波快,因此會較早抵達望遠鏡。若無線電波源距離地球較遠,電波在傳至地球途中會遇到更多電子,高低頻電波抵達的時間差距因而拉長。由於新波霎的距離不明,該軟體掃描數據以搜尋可能符合的頻散度(又稱為頻散量)訊號,推算所找到的波霎可能的距離範圍。


納科維奇的這項發現,是分析澳洲派克電波望遠鏡於2002年觀測的數據;該望遠鏡可同時迅速搜索13處大面積天區(稱為波束)。為了剔除99%以上只含雜訊或人為干擾的數據,他目視檢查軟體偵測的訊號。他的發現著實令人困惑,除了該訊號太過明亮,也因為我們向來不認為矮星系會與波霎有關,那訊號卻來自小麥哲倫雲偏南幾度的天區。更讓人訝異的是,該訊號的頻散度非常高,是銀河系天體所發出電波訊號的數倍,甚至比一般由小麥哲倫雲傳來的電波頻散度高出50%。此現象表示波源應該位於30億光年之外,遠超過我們本星系群的範疇。


假如那起爆發事件真的來自那麼遙遠的區域,應該在恐龍仍漫遊地球時便發生。由於光速恆定,而該訊號的持續時間短暫,這表示它發生的範圍小於10光毫秒,也就是不到3000公里,遠小於太陽直徑140萬公里。雖然這數值落在波霎大小的可能範圍內,該訊號所對應的能量卻比太陽累積整個月的輻射能還多,也超過最明亮波霎訊號的10億倍。


究竟什麼樣的天體造就了這幅壯觀的奇景?我們的首要工作,是確認這個脈衝訊號並非來自人為干擾。與一般波霎不同的是,這現象並未重複發生,在觀測時間約兩小時內,我們只發現一個脈衝。此外,更詳盡的檢查結果顯示,該脈衝各頻率訊號抵達的時間,符合預期的星際頻散模式,因此該脈衝應不是人為干擾造成。這起爆發事件屬於天文物理現象而非人為訊號的另一項證據是,它似乎源自天空中的單一位置。在派克望遠鏡接收的13道波束中,有一道波束最強,另三道波束則較微弱,確實符合天體訊號的偵測型態。相反地,若是附近的人為干擾訊號,應該會在13道波束的數據中都顯現。


納科維奇似乎真的發現了某種全新的天文現象,而這勢必吸引我們投入更多心力以研究這類困擾整個天文學界的宇宙訊號。我們認為這奇怪訊號應該不只一個,根據派克望遠鏡的觀測視野與觀測時間,我們推測每天都有數百起這類電波閃爆於天空各處發生,只是並未被發現。2007年11月我們發表了一篇論文,認為此訊號屬於某類未知起源的新型態無線電波源。我們推論若可加以辨識並了解這類波源,不僅可以洞悉此新型態宇宙事件的本質,更可透過測量頻散度來估計它們的距離,甚至可藉由它們描繪出整個宇宙大尺度結構的分佈。我們必須先證實這起閃爆的真實性,卻沒料到這段過程遭遇許多意外波折,幾近讓我們放棄追查。


如幻似真的訊號


剛開始時,其他研究人員對我們的發現極感興趣,還用我的姓為該訊號取了個暱稱「羅立莫閃爆」,對其起源提出可能的解釋,並搜尋更多的類似事件。


在我們的發現之後,澳洲斯文伯恩科技大學的貝勒斯(Matthew Bailes)與我們論文的共同作者之一,使用派克望遠鏡觀測羅立莫閃爆出現的天區90小時,並未發現其他閃爆的證據。由於這項後續觀測在羅立莫閃爆的六年後進行,因此尚未排除在最初觀測記錄後數小時或數年內發生多重閃爆的可能性。


貝勒斯與他當時的博士生柏克-斯波拉爾(Sarah Burke-Spolaor)便依據派克望遠鏡的數據,搜尋其他天區的觀測數據。他們在2010年發表一篇論文,發現了16起類似羅立莫閃爆的事件,事實上,有些事件的頻散度、持續時間和脈衝形狀幾乎相同。不過,有項差異非常明顯,就是新發現的所有閃爆現象都在派克望遠鏡全部13道接收波束中出現。這代表它們不可能來自太空,應該源自地表或大氣層發生的事件,例如閃電。柏克-斯波拉爾與貝勒斯把他們發現的事件稱為「佩利頓」(peryton,西洋傳說中的鹿鷹獸),意味這些現象掩飾了本質。


佩利頓事件的發現讓科學家對羅立莫閃爆起了疑心。由於許多進一步的電波觀測都未能偵測到其他閃爆訊號,天文學家開始懷疑羅立莫閃爆也是佩利頓,而推測閃爆訊號本質的論文數量逐漸減少。在2011年舉辦的一次會議中,甚至還發生請聽眾舉手表決,看看有多少人相信真有羅立莫閃爆。當時坐在前排的羅立莫,完全不敢回頭看現場聽眾的舉手情形!


在發現羅立莫閃爆的四年後,邁克勞林和一位博士後研究員及一位大學生,埋首於搜尋更大型電波波霎的巡天觀測數據,以找出更多閃爆。在遍尋不著其他類似事件後,她也不禁懷疑起羅立莫閃爆的真實性。事實上,她與其他人合寫了一篇論文,宣稱該閃爆可能不是天文物理訊號──現在看來,真是令人尷尬的結論。


不過大概就在那時,此領域再度引人注目。第一起事件發生於2012年,現任職於平方公里陣列組織(總部設在英國曼徹斯特)的基恩(Evan Keane)在派克望遠鏡的數據裡偶然發現另一個高頻散的閃爆訊號。同時,貝勒斯一直致力把派克望遠鏡升級成最先進的數位儀器,以便精準測定高頻散的爆發事件。他的努力終於得到回報,研究人員於2013年在派克望遠鏡的新數據中,發現了四個頻散度各異的閃爆訊號。在首篇探討此觀測結果的論文裡,當時在曼徹斯特大學攻讀博士的桑頓(Dan Thornton)是第一作者,他們稱這些事件為「快速電波爆發」(fast radio burst, FRB),凸顯其發生時間之短暫。與佩利頓的重要差異是,這四個FRB只出現在單一波束中,代表是真實的天文事件,而非地球上的干擾所造成。


這些成果益發確認了FRB的天文物理本質。隨後,澄清佩利頓現象的研究總算降臨,而且深具幽默感;2015年任職於斯文伯恩科技大學的佩特羅(Emily Petro)等人發表了一篇論文,指出缺乏耐性的科學家在天文台裡的微波爐尚未停止運轉便開啟爐門,以致派克望遠鏡數據的佩利頓事件大都出現在午餐時刻。確定羅立莫閃爆和其他FRB發生的時間與飢腸轆轆的科學家用餐時刻並無重疊後,天文學家總算大大鬆了一口氣。


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