悉尼时间2018年9月25日的凌晨，一条提醒消息出现在了探测系统的频道上。通过确认，我们发现探测到了一个快速射电暴（FRB180924）。它位于距离我们大约40亿光年的星系DES J214425.25-405400.81之中。超高精度定位甚至让我们确认，这个FRB偏离星系的中心大约13000光年。

ASKAP 的相位阵列接收机（图源：Alex Cherney）

来源 | 赛先生

作者 | 邱昊

今年年初，快速射电暴（FRB）以“外星人信号”的身份当了一回网红，从而走进公众的视野。作为一种来自宇宙深处的强大脉冲信号， FRB一直吸引着天文学家的注意。

最近，位于澳洲的望远镜又有了关于FRB的全新成果——找到了单次FRB产生的位置。这一成果在6月28日发表于美国著名学术期刊《科学》（Bannister et al. 2019 Science）。

快速射电暴（Fast Radio Burst，FRB）是一类毫秒级别的超高亮度无线电脉冲信号。从2007年发现至今，世界各地的射电天文学家已经观测到了来自宇宙各个方向的70多个FRB事件，其中有些FRB的爆发亮度甚至超过了我们银河系内已知最亮的射电脉冲源——蟹状星云内脉冲星的亮度。

天文学家估算，FRB爆发一瞬间的能量可以超过太阳10年所提供的能量总和，这似乎预示着其应该与双中子星并合或超亮超新星等事件有着千丝万缕的联系。因此，FRB引起了研究各种高能爆发现象的天文学家的极大兴趣。

然而，即使发现了这么多FRB，仍然有一个致命的问题限制着大家对它的进一步了解，那就是寻找其他波段观测并定位对应星系。虽然我们并不能看见这些遥远星系的内部，但我们通过对FRB所在星系的观测可以推测该星系的恒星形成率、年龄等性质，从而进一步猜想FRB的爆发环境是什么样的。

由于对FRB的探测使用的是用于脉冲星搜寻的高时间分辨率观测模式，接收的数据量很大，所以观测时一般使用大型单天线射电望远镜，如澳大利亚的Parkes 64米射电望远镜、美国的Green Bank 110米射电望远镜和Arecibo 300米望远镜。

根据设计公式，望远镜的分辨率与波长成正比，和口径成反比。所以虽然这些望远镜口径很大，但对于射电频段的电磁波，分辨率并不高。即使是Arecibo 300米的口径，其空间分辨率也不如一个一般的2米光学望远镜。这些单天线射电望远镜只能将观测区域限制在大约10个角分的范围内，这意味着搜寻的天区无比巨大，其中可能有数十个甚至上百个候选星系。

当然，这并不是说定位不能实现。将数个天线组成射电干涉阵，便可以利用干涉观测实现与光学望远镜相当的分辨率，其口径相当于这个阵内两天线之间的最大距离（最长基线）。正是通过使用干涉阵，Shami Chatterjee 和他的团队成功利用美国的大型干涉阵望远镜（Very Large Array, VLA）定位了FRB121102（Chatterjee et al. 2017 Nature）——这是目前发现的仅有的两个不断重复爆发的FRB。由于其独特的重复特点，Shami通过VLA后续跟踪观测，成功检测到了重复信号并由此定位。但对于单次出现的FRB，大家似乎依然束手无策。

除了“行踪”捉摸不定，FRB还有一个特点：无线电信号的色散度非常大。这也增加了探测的难度。

射电天文中的色散（dispersion），是指电磁波在太空中传播时，不同频率的电磁波穿越宇宙中的电离介质（主要与自由电子作用）的速度不同，产生了不同频率异时到达的延时现象。延时的大小，或者说色散度，间接反应了这个电磁波从源头到地球穿过的介质厚度。FRB的色散度之大，远远超过了我们目前银河系模型所预测的介质厚度所能提供的最大色散值，所以天文界普遍认为FRB来自银河系之外。

由于大部分的FRB是不重复的全天随机事件，往往只能靠望远镜长期观测去等待。超长的等待意味着超大的数据量和超长的观测时间，一些数据处理工作，如去除色散和搜索信号，都需要非常大量的运算，这样简单粗暴的观测模式恐怕并不能有效地寻找FRB。

为实现捕捉非重复FRB的位置，天文学家提出了两个极具挑战性的改进方案：

其一是扩大观测天区的面积。这相当于数台望远镜同时观测，可以提高探测到FRB的几率，从而变相解决了需要长时间观测才能探测到FRB的问题；

另一个方案则是通过编写计算机算法实现自动实时脉冲检测——通过读取干涉仪的各个天线接收器的内存中暂时保存的用于干涉观测的基带数据，在短时间内确认是否存在FRB。倘若存在，便在内存还未删除原始数据之前进行下载。

探测最直接的需求是一个拥有大视场的望远镜。加拿大的氢强度探测试验（Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment, CHIME）拥有超大的240平方度的视场，表现也确实不俗——它在去年8月份短暂的一个月试验运行中就至少确认了13个FRB，甚至还探测到了一个重复出现的FRB。

但CHIME是一个着重巡天效率和灵敏度的干涉阵，其天线的集中摆放和横向排列导致它的分辨率并不是很高。因此，人们迫切需要一个注重大视场成像的干涉仪来帮助大家实现FRB的即时成像定位。

笔者所参与的澳大利亚平方公里阵探路者（Australian Square Kilometre Array Pathfinder, ASKAP）的实时暂现源探测（Commensal Real-time Askap Fast Transients, CRAFT）项目就是在这样的背景下诞生的。

澳大利亚平方公里阵列探路者（ASKAP）望远镜位于西澳大利亚野外的Murchison射电天文台（图源：Alex Cherney）

ASKAP是由36个12米天线组成的大型巡天望远镜，其最长基线达到了6千米，每个天线上都装有独特的相位馈源阵列（Phased Array Feed, PAF），这种形状似光学数码相机探测器的装置使得天线能同时观测30平方度的天区并着重于高分辨率的成像。

ASKAP原始数据系统最大吞吐量达到75TB/秒，相当于全球互联网一年10%的流量。每个天线配备了86 GB的高性能循环内存，用来保存实时3秒的用于最终成像的基带数据。

在2017年1月到2018年6月的系统调试期内，为测试实时探测程序，ASKAP使用8个天线，以单天线模式进行了长时间的FRB搜寻，发现了20多个FRB（Bannister et al. 2017 ApJL, Shannon et al. 2018 Nature, Qiu et al. 2019 MNRAS 等）。这证明ASKAP的实时探测系统可正常运行。

于是，从2018年8月开始，ASKAP正式进入使用24个天线干涉的观测模式，并在今年1月正式实现了全36个天线系统运营。

悉尼时间2018年9月25日的凌晨，一条提醒消息出现在了探测系统的频道上。通过确认，我们发现探测到了一个FRB（FRB180924）。在对内存保存的基带原始数据进行校准后，我们获得了亚角秒级别分辨率的结果。在对比了光学星系的观测数据之后，我们确定该FRB位于距离我们大约40亿光年的星系DES J214425.25-405400.81之中。这一结果刚刚于6月28日发表在了美国学术期刊《科学》（Bannister et al. 2019 Science）

FRB180924的波形，上图是消色散后的强度图，下图是原始波形（图源：Bannister et al. 2019 Science）

超高精度定位甚至让我们确认这个FRB偏离星系的中心大约13000光年，这样基本排除了那些认为FRB是由星系中间的超大质量黑洞产生的爆发模型。该星系与之前FRB121102所在的恒星形成活动非常活跃的小质量矮星系截然不同，它在一个质量更大的早型漩涡星系，其活动性也相对更弱一些，这似乎暗示着重复爆发的FRB和这些一次性出现的FRB是两类完全不同的事件。

FRB180924 在星系中的位置（图源：Bannister et al. 2019 Science）

实现定位技术将极大地改善我们对宇宙的了解。通过定位FRB所在星系，我们可以估算FRB和地球之间的距离。结合FRB信号的各种性质，我们也可通过其色散度、波形判断电磁波信号在穿越宇宙中的气体、等离子体介质的传播过程中，是否因磁场方向、气体密度和不均匀的气体分布而发生改变（比如散射和偏振）。这些信息将帮助我们了解这个方向上的星际介质和星系际介质的密度、结构和磁场方向。

当定位足够多的FRB时，我们将会得知各个方向和距离上的星系际介质的密度，接下来便可以检测其中物质的总量是否与我们现有的宇宙大爆炸模型所预测的物质总量相符合。由此我们甚至可以绘出宇宙内的重子物质所组成的大尺度网状结构（the cosmic web）。

宇宙大尺度结构（图源：Universe Today）

当我们真正揭开这些来自远古的强烈脉冲信号（pulse）的秘密时，或许也就发现了宇宙的脉搏（pulse）吧！

作者简介

邱昊，2017年本科毕业于南京大学天文与空间科学学院，现为悉尼大学物理系在读博士，研究方向为澳大利亚平方公里阵列探路者（ASKAP）暂现源观测技术和快速射电暴。