悉尼時間2018年9月25日的凌晨，一條提醒消息出現在了探測系統(tǒng)的頻道上。通過確認，我們發(fā)現探測到了一個快速射電暴（FRB180924）。它位于距離我們大約40億光年的星系DES J214425.25-405400.81之中。超高精度定位甚至讓我們確認，這個FRB偏離星系的中心大約13000光年。
ASKAP 的相位陣列接收機（圖源：Alex Cherney）
來源 | 賽先生
作者 | 邱昊
今年年初，快速射電暴（FRB）以“外星人信號”的身份當了一回網紅，從而走進公眾的視野。作為一種來自宇宙深處的強大脈沖信號， FRB一直吸引著天文學家的注意。
最近，位于澳洲的望遠鏡又有了關于FRB的全新成果——找到了單次FRB產生的位置。這一成果在6月28日發(fā)表于美國著名學術期刊《科學》（Bannister et al. 2019 Science）。
快速射電暴（Fast Radio Burst，FRB）是一類毫秒級別的超高亮度無線電脈沖信號。從2007年發(fā)現至今，世界各地的射電天文學家已經觀測到了來自宇宙各個方向的70多個FRB事件，其中有些FRB的爆發(fā)亮度甚至超過了我們銀河系內已知最亮的射電脈沖源——蟹狀星云內脈沖星的亮度。
天文學家估算，FRB爆發(fā)一瞬間的能量可以超過太陽10年所提供的能量總和，這似乎預示著其應該與雙中子星并合或超亮超新星等事件有著千絲萬縷的聯系。因此，FRB引起了研究各種高能爆發(fā)現象的天文學家的極大興趣。
然而，即使發(fā)現了這么多FRB，仍然有一個致命的問題限制著大家對它的進一步了解，那就是尋找其他波段觀測并定位對應星系。雖然我們并不能看見這些遙遠星系的內部，但我們通過對FRB所在星系的觀測可以推測該星系的恒星形成率、年齡等性質，從而進一步猜想FRB的爆發(fā)環(huán)境是什么樣的。
由于對FRB的探測使用的是用于脈沖星搜尋的高時間分辨率觀測模式，接收的數據量很大，所以觀測時一般使用大型單天線射電望遠鏡，如澳大利亞的Parkes 64米射電望遠鏡、美國的Green Bank 110米射電望遠鏡和Arecibo 300米望遠鏡。
根據設計公式，望遠鏡的分辨率與波長成正比，和口徑成反比。所以雖然這些望遠鏡口徑很大，但對于射電頻段的電磁波，分辨率并不高。即使是Arecibo 300米的口徑，其空間分辨率也不如一個一般的2米光學望遠鏡。這些單天線射電望遠鏡只能將觀測區(qū)域限制在大約10個角分的范圍內，這意味著搜尋的天區(qū)無比巨大，其中可能有數十個甚至上百個候選星系。
當然，這并不是說定位不能實現。將數個天線組成射電干涉陣，便可以利用干涉觀測實現與光學望遠鏡相當的分辨率，其口徑相當于這個陣內兩天線之間的最大距離（最長基線）。正是通過使用干涉陣，Shami Chatterjee 和他的團隊成功利用美國的大型干涉陣望遠鏡（Very Large Array, VLA）定位了FRB121102（Chatterjee et al. 2017 Nature）——這是目前發(fā)現的僅有的兩個不斷重復爆發(fā)的FRB。由于其獨特的重復特點，Shami通過VLA后續(xù)跟蹤觀測，成功檢測到了重復信號并由此定位。但對于單次出現的FRB，大家似乎依然束手無策。
除了“行蹤”捉摸不定，FRB還有一個特點：無線電信號的色散度非常大。這也增加了探測的難度。
射電天文中的色散（dispersion），是指電磁波在太空中傳播時，不同頻率的電磁波穿越宇宙中的電離介質（主要與自由電子作用）的速度不同，產生了不同頻率異時到達的延時現象。延時的大小，或者說色散度，間接反應了這個電磁波從源頭到地球穿過的介質厚度。FRB的色散度之大，遠遠超過了我們目前銀河系模型所預測的介質厚度所能提供的最大色散值，所以天文界普遍認為FRB來自銀河系之外。
由于大部分的FRB是不重復的全天隨機事件，往往只能靠望遠鏡長期觀測去等待。超長的等待意味著超大的數據量和超長的觀測時間，一些數據處理工作，如去除色散和搜索信號，都需要非常大量的運算，這樣簡單粗暴的觀測模式恐怕并不能有效地尋找FRB。
為實現捕捉非重復FRB的位置，天文學家提出了兩個極具挑戰(zhàn)性的改進方案：
其一是擴大觀測天區(qū)的面積。這相當于數臺望遠鏡同時觀測，可以提高探測到FRB的幾率，從而變相解決了需要長時間觀測才能探測到FRB的問題；
另一個方案則是通過編寫計算機算法實現自動實時脈沖檢測——通過讀取干涉儀的各個天線接收器的內存中暫時保存的用于干涉觀測的基帶數據，在短時間內確認是否存在FRB。倘若存在，便在內存還未刪除原始數據之前進行下載。
探測最直接的需求是一個擁有大視場的望遠鏡。加拿大的氫強度探測試驗（Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment, CHIME）擁有超大的240平方度的視場，表現也確實不俗——它在去年8月份短暫的一個月試驗運行中就至少確認了13個FRB，甚至還探測到了一個重復出現的FRB。
但CHIME是一個著重巡天效率和靈敏度的干涉陣，其天線的集中擺放和橫向排列導致它的分辨率并不是很高。因此，人們迫切需要一個注重大視場成像的干涉儀來幫助大家實現FRB的即時成像定位。
筆者所參與的澳大利亞平方公里陣探路者（Australian Square Kilometre Array Pathfinder, ASKAP）的實時暫現源探測（Commensal Real-time Askap Fast Transients, CRAFT）項目就是在這樣的背景下誕生的。
澳大利亞平方公里陣列探路者（ASKAP）望遠鏡位于西澳大利亞野外的Murchison射電天文臺（圖源：Alex Cherney）
ASKAP是由36個12米天線組成的大型巡天望遠鏡，其最長基線達到了6千米，每個天線上都裝有獨特的相位饋源陣列（Phased Array Feed, PAF），這種形狀似光學數碼相機探測器的裝置使得天線能同時觀測30平方度的天區(qū)并著重于高分辨率的成像。
ASKAP原始數據系統(tǒng)最大吞吐量達到75TB/秒，相當于全球互聯網一年10%的流量。每個天線配備了86 GB的高性能循環(huán)內存，用來保存實時3秒的用于最終成像的基帶數據。
在2017年1月到2018年6月的系統(tǒng)調試期內，為測試實時探測程序，ASKAP使用8個天線，以單天線模式進行了長時間的FRB搜尋，發(fā)現了20多個FRB（Bannister et al. 2017 ApJL, Shannon et al. 2018 Nature, Qiu et al. 2019 MNRAS 等）。這證明ASKAP的實時探測系統(tǒng)可正常運行。
于是，從2018年8月開始，ASKAP正式進入使用24個天線干涉的觀測模式，并在今年1月正式實現了全36個天線系統(tǒng)運營。
悉尼時間2018年9月25日的凌晨，一條提醒消息出現在了探測系統(tǒng)的頻道上。通過確認，我們發(fā)現探測到了一個FRB（FRB180924）。在對內存保存的基帶原始數據進行校準后，我們獲得了亞角秒級別分辨率的結果。在對比了光學星系的觀測數據之后，我們確定該FRB位于距離我們大約40億光年的星系DES J214425.25-405400.81之中。這一結果剛剛于6月28日發(fā)表在了美國學術期刊《科學》（Bannister et al. 2019 Science）
FRB180924的波形，上圖是消色散后的強度圖，下圖是原始波形（圖源：Bannister et al. 2019 Science）
超高精度定位甚至讓我們確認這個FRB偏離星系的中心大約13000光年，這樣基本排除了那些認為FRB是由星系中間的超大質量黑洞產生的爆發(fā)模型。該星系與之前FRB121102所在的恒星形成活動非?；钴S的小質量矮星系截然不同，它在一個質量更大的早型漩渦星系，其活動性也相對更弱一些，這似乎暗示著重復爆發(fā)的FRB和這些一次性出現的FRB是兩類完全不同的事件。
FRB180924 在星系中的位置（圖源：Bannister et al. 2019 Science）
實現定位技術將極大地改善我們對宇宙的了解。通過定位FRB所在星系，我們可以估算FRB和地球之間的距離。結合FRB信號的各種性質，我們也可通過其色散度、波形判斷電磁波信號在穿越宇宙中的氣體、等離子體介質的傳播過程中，是否因磁場方向、氣體密度和不均勻的氣體分布而發(fā)生改變（比如散射和偏振）。這些信息將幫助我們了解這個方向上的星際介質和星系際介質的密度、結構和磁場方向。
當定位足夠多的FRB時，我們將會得知各個方向和距離上的星系際介質的密度，接下來便可以檢測其中物質的總量是否與我們現有的宇宙大爆炸模型所預測的物質總量相符合。由此我們甚至可以繪出宇宙內的重子物質所組成的大尺度網狀結構（the cosmic web）。
宇宙大尺度結構（圖源：Universe Today）
當我們真正揭開這些來自遠古的強烈脈沖信號（pulse）的秘密時，或許也就發(fā)現了宇宙的脈搏（pulse）吧！
