天文学家发现史无前例的古老宇宙爆发

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翻译：葛文迪

校对：牧夫校对组

编排：胡暖暖

后台：朱宸宇

https://www.scientificamerican.com/article/astronomers-discover-record-breaking-ancient-cosmic-outburst/

在大爆炸后约三十亿年的某个时刻，遥远星系中的某个天体突然“爆裂”，射出一道短暂却威力巨大的射电波，持续时间仅有几分之一秒。这道爆发波在星际浩瀚的时空之中不断穿行，直到2024年3月掠过地球，其一小部分能量流入南非MeerKAT射电望远镜阵列的碟形天线中。

对澳大利亚悉尼大学的天文学家塞米亚·纳纳亚卡拉（Themiya Nanayakkara）来说，MeerKAT的这一探测是激动人心的巅峰时刻。这类辐射被称为快速射电暴（FRB），其实相当常见，每天在地球天空中大约发生5000到10000次。但这次爆发极其微弱，这恰恰表明它非常古老——源自极其久远之前、极其遥远之处的地方。

但它究竟有多古老，又来自何方？纳纳亚卡拉和同事们通过考察爆发的能量，以及其光在穿越膨胀的宇宙时被拉伸（即“红移”）的程度，找到了答案。正如他们在《科学》期刊新发表的论文中所描述的那样，这次快速射电暴发生在大约100亿年前的一个遥远星系中。这一尊贵的“宇宙年份”使其成为迄今发现的最古老的快速射电暴，事实上，这次事件比此前的纪录保持者还要早一倍的时间。

尽管自发现以来经过了二十五年的深入研究，快速射电暴仍然相当神秘。首先，天文学家至今不知道其天体物理起源。一个主流观点认为它们由磁星产生——磁星是大质量恒星以超新星形式爆发后留下的小型残骸——但许多细节尚不明朗，而且并非所有快速射电暴都符合“磁星”的模式。纳纳亚卡拉表示，探测和测量快速射电暴及其宿主星系有助于解开这个谜团。在这次的案例中，他和同事们将这次爆发追溯到了一个星系，该星系与其所处宇宙早期阶段的其他星系相比显得相对原始：它的质量更低，重元素含量更少，但恒星形成活动更为活跃。

对于形成一颗能孕育快速射电暴的磁星而言，这些特征都未必出人意料。但这创纪录的快速射电暴仍将此类爆发在宇宙历史中可能出现的时间基点大幅前推。纳纳亚卡拉认为，这反过来也带来了一种可能性：或许还有更古老（也更微弱）的快速射电暴曾掠过地球而未被察觉。

“我们的望远镜必须具备极高的灵敏度才能探测到它们，”他说。所幸MeerKAT正可提供帮助。“寻找宿主星系时也是同样的道理。由于这些星系同样极其遥远，它们可能极为暗淡，这使得后续追踪和研究其性质变得相当困难。”

寻找和研究越来越遥远的快速射电暴的迫切需求，并不仅仅是出于好奇心：这些短暂而强烈的爆发还可以作为强大的探针，用来探测散布在星系之间的、原本不可见的物质。当快速射电暴穿行时，其射电波会与天文学家所称的星系际介质——一种稀薄的暗等离子体——发生相互作用；波长较短的波与等离子体相互作用更强，传播速度被拖慢，因此比波长较长的波更晚到达地球。测量这种色散效应，天文学家便能了解任何一次快速射电暴在漫长旅程中穿越了多少此类物质。

“我们的发现特别重要，因为我们证明了可以在约80%的宇宙历史跨度内做到这一点，”纳纳亚卡拉说，“我们把快速射电暴的探测推得越远，就能越深入地对这种原本不可见的物质进行绘图。”

为实现这一目标，纳纳亚卡拉最近获得了美国国家航空航天局詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）的观测时间。在未来三年里，他的团队每年将能够使用JWST对准某些与特别古老的快速射电暴相关联的遥远天体源，力求再次打破宇宙距离纪录。

“我们目前正等待澳大利亚和南非的射电望远镜探测到这样一次爆发。一旦有所发现，我们就能立即启动JWST的观测来研究其宿主星系，并有望把边界推得更远，”他说，“我们发现的遥远快速射电暴越多，就越能有力地约束产生它们的天体和辐射机制、它们所处的环境，以及宇宙中物质的分布。”

文章来源：Astronomers discover record-breaking ancient cosmic outburst | Scientific American

责任编辑：郭皓存

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