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Jun. 07 2021

神祕「電波爆發」原來離我們這麼近!

  • 天文學家在鄰近的古老星團偵測到快速電波爆,這是我們所觀測到最神祕的現象之一。

    天文學家在鄰近的古老星團偵測到快速電波爆,這是我們所觀測到最神祕的現象之一。

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天文學家在鄰近的古老星團偵測到快速電波爆,這是我們所觀測到最神祕的現象之一。

一座鄰近星系釋放出了明亮又短暫的無線電波爆發,使天文學界的最大謎團因此變得更加撲朔迷離。不斷爆發的能量似乎來自一群稱為球狀星團(globular cluster)的古老恆星,這是天文學家眼中最不可能發生無線電波爆發的地方之一。

快速電波爆(fast radio bursts,簡稱FRBs)通常來自數十億光年之外,是一種異常明亮且稍縱即逝的無線電波爆發。天文學家在2007年首次探測到這種現象,但一直無法解釋其成因。科學家根據到目前為止的觀測情形,推測這種爆發源自一種壽命相當短暫的年輕天體:磁星(magnetar)。

但根據發表在arXiv科學預印本伺服器的一篇論文表示,一起去年觀測到的快速電波爆卻源自約1170萬光年之外、位於M81螺旋星系附近的球狀星團。在一群古老的恆星中發現快速電波爆,就像在巨石陣裡發現智慧型手機一樣──根本說不通。

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「我們完全沒想到會在這裡找到快速電波爆,」這篇最新論文的共同作者──多倫多大學的天文學家布萊恩.庚斯勒(Bryan Gaensler)在推特(Twitter)上這麼說:「到底發生了什麼事?」

科學家很難解釋宇宙中的時代謬誤現象,他們得到的結論是──快速電波爆和其他許多天象一樣,可能有很多種成因。

「快速電波爆很可能是一種普遍現象,有很多種可能的來源,」康乃爾大學天文學家沙米.查特吉(Shami Chatterjee)說。他也在研究快速電波爆,但沒有參與此次的研究。

「這裡發生什麼事了?」

2020年1月,科學家利用加拿大氫強度測繪實驗(Canada Hydrogen Intensity Mapping Experiment,簡稱CHIME)望遠鏡發現了這次名為FRB 20200120E的爆發。事實證明,這架望遠鏡是發現快速電波爆的利器。在2017年這臺望遠鏡啟用之時,科學家發現的快速電波爆還不到30次;現在有了這臺望遠鏡,快速電波爆的偵測次數已暴增到超過1000次。

FRB 20200120E和其他至少20多個已知的電波爆一樣,會重複發生──像是個可以多次產生可偵測無線電波爆發的太空發動機,而不是只爆發一次就消失無蹤。雖然它的爆發不像數十億光年之外遙遠宇宙的那些電波爆那麼明亮,但去年科學家仍確定了這個快速電波爆在天空中的位置。

研究團隊可以據此嘗試確認電波爆的來源。電波爆的觀測數據顯示FRB 20200120E非常近,所以天文學家知道他們所尋找的東西就在不遠之處,甚至可能就在銀河系充滿氣體和極少恆星的銀暈之中。接下來,科學家利用歐洲超長基線干涉網(European Very Long Baseline Interferometry Network)的無線電波望遠鏡網路,來確定爆發的確切位置。

這篇研究論文這麼說:「最後我們證實,FRB 20200120E與M81星系中的球狀星團有關,因此也得知它的距離比其他任何已知的銀河系外快速電波爆還要近了40倍。」

「解釋這個快速電波爆的起源讓事情變得非常、非常地有趣,」查特吉說:「很難套用已知的模型。」

球狀星團是可觀測宇宙中最古老的天體之一。它們已經存在了數十億年,至少和它們繞行運轉的星系一樣歷史悠久,甚至可能更為古老。直到現在,科學家強烈懷疑快速電波爆是由迄今觀測到最年輕的緻密天體──磁星所產生。這是年輕的大質量恆星在爆炸死亡後,所形成的強磁場閃焰恆星殘骸。磁星一旦形成,還會苟延殘喘數萬年之久,直到磁場衰減,留下一顆平凡無奇的中子星。

但根據天文學家目前所知,這些閃閃發光的緻密球狀星團內,並沒有會坍縮成磁星的這種狂暴恆星。

「整個宇宙到處都會形成這樣的恆星,甚至我們銀河系的很多地方也是如此,但不會是在球狀星團裡,」西北大學研究球狀星團的克萊兒.葉(Claire Ye)這麼說:「問題來了,這裡發生什麼事了?」

磁場極強、密度極高的恆星

科學家用了將近15年的時間,才解開快速電波爆的謎團。最初的假設包括蒸發的黑洞、發生閃焰的死亡恆星、緻密天體碰撞,甚至還有外星科技──別想太多,這不是外星人搞的鬼!更多的線索──從電波爆的奈米級結構,到持續時間只有數毫秒、爆發力極強──顯示,它們一定來自密度極高的緻密天體。

因此,科學家轉而考量黑洞和中子星等天體,它們是大質量恆星爆炸形成超新星後的產物。之後的觀測結果顯示,有些爆發源自磁場極強的區域,進一步說明這些神祕的訊號可能來自於磁星。

然而去年銀河系中的一顆磁星產生了類似快速電波爆的無線電波爆發。這次爆發比來自半個宇宙外的強大爆發略弱一些,但科學家確信,他們的研究方向是正確的。

「自從看到銀河系的磁星產生類似快速電波爆的無線電波爆發後,我們更加確信快速電波爆來自磁星的說法,」哥倫比亞大學和弗拉迪朗研究所(Flatiron Institute)的布萊恩.梅茨格(Brian Metzger)表示:「理論學家和觀測學家都對磁星的假說相當滿意。」

但這個狀況並沒有持續很久,隨著FRB 20200120E的發現,現在天文學家需要弄清楚磁星是如何在球狀星團形成並存活下來,或是他們得要解釋一群非常古老又安靜的恆星如何產生如此威力十足的爆發?這兩個問題都很難回答。

合理的解釋

天文學家認為,雖然球狀星團裡沒有磁星,但其他類型的恆星殘骸應該非常多。類似太陽的恆星在膨脹成紅巨星後死亡時,會形成白矮星,而更大的超新星爆發則會形成中子星,這些天體可能在球狀星團還年輕時就已經存在。

當兩顆中子星或兩顆白矮星碰撞並融合,或是一顆有著繞行伴星的白矮星因獲取大量質量而坍縮成一顆新生的中子星,就有可能會產生磁星。然而目前為止,我們還沒有觀察到以這些方式誕生的磁星。

西北大學的克萊兒.葉認為,我們需要尋找其他在這些星團中形成磁星的方式,並探討其他種類的恆星是否也可能為快速電波爆提供能量。她還表示,收集更多有關這個特殊星團的資訊,對研究有何其他原因可能造成這種壯麗爆發來說相當重要。

「有各式各樣的球狀星團,」她說,「有些比較緻密,有些比較鬆散,在不一樣的星團裡就會看到不同的後果。」

梅茨格還指出,在沒有磁星的情況下,也有可能產生類似快速電波爆的現象,比如兩顆彼此繞轉的中子星就會產生類似快速電波爆的爆發,在黑洞周圍繞行旋轉的狂暴吸積盤偶爾也會產生噴流和閃耀。他表示:「我傾向認為那裡有除了磁星以外的天體造成電波爆。」

查特吉也同意這一點,他補充說明,「可能有部分的快速電波爆與磁星無關,而與某種黑洞噴流現象有關。」

或許有很多種機制能夠產生快速電波爆,就像伽瑪射線爆一樣。自1960年代一顆軍事衛星發現伽瑪射線爆,天文學家在之後的數十年裡一直為此困惑不已。現在,我們知道強大的超新星或是中子星碰撞都會產生這種能量巨大的伽瑪射線閃光。

「大自然發現有兩種形成伽瑪射線爆的方法,」 梅茨格說:「我認為,我們看到的快速電波爆也是這樣的情形。」

 

延伸閱讀:發現距離地球最近黑洞! / 神祕重力波顯示,我們可能首度目擊黑洞吞噬死亡恆星

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