天体物理学家、麦吉尔大学教授Victoria Kaspi
11月7日，2020年腾讯科学WE大会在线上举行。天体物理学家、麦吉尔大学教授Victoria Kaspi分享了她对于快射射电暴的研究。
最近，贵州的“天眼”望远镜观测到了来自太空的神秘无线电信号，并在《自然》杂志上发表了重要文章，这种神秘的无线电信号就是所谓的“快射射电暴”（FRB）。
首先，Victoria Kaspi向大家解释了什么是快速射电暴。她表示，接收快速射电暴的装置和收音机类似，都是接收无线电信号的。我们接收到的快速射电暴基本上都是来自银河系之外，这些信号转瞬即逝，持续时间仅毫秒量级。
Victoria Kaspi称，目前有报道的捕捉到快速射电暴的次数只有100次左右，但如果我们仰望天空，理论上每天可以探测到一千次快速射电暴。这意味着它在宇宙中并不罕见，随时随地都在发生。但快速射电暴来自哪里？是如何产生的？我们还没有标准答案。
接收快速射电暴的装置什么样子呢？Victoria Kaspi描述道，抛物面型的天线就像一个盘子，表面可以收集来自外太空的无线电波，并将它们集中到树立在表面上的天线中。然后无线电波在天线中产生电流，电流通过电线传输到中控室的电脑中，电脑会将无线电信号放大并转为数字信号，记录在电脑磁盘上。
随后，Victoria Kaspi向大家展示了记录快速射电暴的图表，并向大家解释了为什么判定快速射电暴是来自遥远的银河系外。她表示，就像不同颜色的光以不同的速度通过棱镜一样，不同频率的无线电波通过星际介质时的速度也不同，也会出现所谓的“色散”效应，根据这种效应就能反推快速射电暴的距离。
快速射电暴是一个比较年轻的研究领域，第一篇论文发表于2007年。快速射电暴是如何起源的呢？目前还没有标准答案！Victoria Kaspi列举了几种可能性：超新星爆炸、中子星并合、黑洞吞噬中子星以及中子星磁层活动等等。
2006年，天文学家观测到了重复爆发的快速射电暴。Victoria Kaspi说这是一个非常重要的事件。可重复的快速射电暴的发现，表明了发生快速射电暴的源头没有在事件中摧毁，这排除了像超新星爆发和中子星并合这种灾难性的爆发事件。但所有的快速射电暴都会重复吗？目前还不知道。
由于快速射电暴在天空随机出现，科学家就需要一种能够随时观察任意位置的望远镜，这听起来是个很大的挑战，但Victoria Kaspi正在加拿大使用新型的CHIME望远镜就是一种能够满足这种要求的装置。CHIME翻译过来是“加拿大氢气强度映射实验”，顾名思义，这是一台位于加拿大的装置。
CHIME是一种革命性的新型望远镜，它和你们见过的任何射电望远镜都不一样，它没有传统的聚焦于一点的抛物面反射镜，而是由四个圆柱形反射镜组成。每个反射镜长100米，宽20米。CHIME望远镜的总面积相当于五个曲棍球场，所有部件都是不可移动的，反射镜都是沿正南正北方向放置的。
Victoria Kaspi表示，如果天空中有什么出现在它上方，我们就可以看到。因此我们可以全天候地观测整个北半球的天空，进而探测出快速射电暴。因此CHIME望远镜能在一年左右的时间里探测到数百个快速射电暴。
Victoria Kaspi表示，CHIME每秒可产生13T的数据！数据处理也是一件非常困难的事情，但他们客服了种种困难，这个系统自2018年以来运行得非常好。
CHIME装置在北半球独步天下，而南半球就是位于澳大利亚的Parkes射电望远镜的天下了，但在观测效率上，Parkes射电望远镜还是略逊一筹。
自从运行以来，CHIME已观测到17个新的重复暴，这表明2016年探测到的第一个重复爆发源并不是个例。
通过对比重复暴和非重复暴的特点，Victoria Kaspi认为，重复爆发源和非重复爆发源可能是两种类型完全不同的天体。她表示，快速射电暴可能不止来自某一种类型的天体，而是两种甚至更多种类型的天体。
最后，Victoria Kaspi说：“目前我们正在制作第一个CHIME望远镜快速射电暴目录，记录500多个爆发源。我们还将进行多项研究，比如天空分布、属性分布和散射程度分布，从而破解爆发源在宇宙中是如何分布的，我们对此感到非常兴奋。”
以下为Victoria Kaspi教授演讲全文：
大家好，我是加拿大麦吉尔大学的Victoria Kaspi。
今天我想和大家聊一聊快速射电暴，一种我们不久前发现的天体物理现象，它是一种我们尚未破解的神秘现象。如果你问我研究的是什么，我会说不知道。因为我们真的不知道快速射电暴来自哪里，那么我们所说的快速射电暴是什么？
首先我来解释一下无线电（射电）。说到无线电，很多人想到的就是带天线的收音机。它能够收集地球上的电台发出的无线电波，这些无线电波在天线中产生电流，然后电流通过收音机内部的电线先后传输到放大器和话筒，这样我们就可以听到电台的内容了。收音机有一个小的旋钮，我们可以通过旋钮来选择电台，选择我们想要的无线电频率。你一定不会想同时收听所有电台，那样的话所有电台都在播放，就会乱套了。因此收音机每次只能选择收听一个电台，就像天线收集无线电波一样，我们就是这样探测到快速射电暴的。
除了来自地球以外的无线电波，快速射电暴来自银河系之外，并很可能来自外太空。那什么是快速射电暴？他们是天空中一闪而过的射电波，可能在任何时间出现在天空中的任何位置，持续时间只有千分之几秒，也就是几毫秒。稍后我会解释为什么它来自银河系之外，来自宇宙中最遥远的地方。
目前有报道的捕捉到快速射电暴的次数只有100次左右，但如果我们仰望天空，理论上每天可以探测到一千次快速射电暴。这意味着它在宇宙中并不罕见，随时随地都在发生，但直到最近我们才发现它，并且对它的源头一无所知。
那么我们如何捕捉到快速射电暴？抛物面型的天线就像一个盘子，表面可以收集来自外太空的无线电波，并将它们集中到树立在表面上的天线中。然后无线电波在天线中产生电流，电流通过电线传输到中控室的电脑中，电脑会将无线电信号放大并转为数字信号，记录在电脑磁盘上。
当然肉眼是看不到无线电波的，但天线可以看到它们，我们用这样的望远镜记录下它们，那么我们如何捕捉到快速射电暴？
这幅图就是我们用望远镜记录下的数据绘制的，我们读取电脑磁盘上的数据并将其转换成图表。X轴表示捕捉到无线电信号数字化样本的时间，每隔半毫秒甚至更短的时间我们就会获得这样的样本。X轴表示时间，而Y轴表示望远镜能探测到的所有不同的无线电频率。与普通的收音机不同，这台望远镜能同时探测到所有不同的频率。
我们也对频率进行了数字化处理，每个地面广播电台只有一个频率，但快速射电暴看起来则完全不同。它是一个频率组合，可以发射所有频率的无线电，但我们首先探测到的是最高频率的无线电，然后是频率较低的无线电。这期间会有一个延迟，而这个延迟非常重要，因为这说明快速射电暴来自遥远的宇宙深处。
如果我们能用软件对延迟进行修正，然后把所有已修正延迟的无线电频率集合起来，那么我们看到的就是望远镜所看到的。最开始什么都没有，然后是持续几毫秒的无线电波大爆发，接着就销声匿迹。对于大多数快速射电暴，我们只能在天空中看到一次，以后就再也看不到来自同一爆发源的射电暴，那么为什么高频无线电波会更早到达呢？
这是一种我们很熟悉的现象，和光的散射同理。就像棱镜可以将白光散射成不同颜色的光一样，因为照射进玻璃的各种颜色的光会因为频率的不同而产生行进方向上的改变。同时还有时间延迟，因此光的速度取决于光的颜色以及光波的频率。无线电波也是一样，不同频率的无线电波在穿越星际等离子体时的速度是不同的。
外太空并不完全是真空的，那里有很多原子和电离原子以及自由电子，无线电波在星际旅行中会时遇到这些电子。这些电子就像棱镜一样，一个快速射电暴源可以一次发出多个频率的射电波。不同频率的射电波遇到星系空间中的自由电子后会以不同的速度到达地球，最高频率的射电波会最先到达，然后低频率的射电波到达。
这会产生巨大的影响，就算整个爆发只持续几毫秒，“散射”也可能会持续很多秒甚至一分钟。对于一个快速射电暴，如果爆发源很接近地球。那么我们探测到的散射或者说延迟会很小，但如果是星际空间量级的距离，散射程度就会是巨大的。对于快速射电暴，它的爆发源远在银河系之外。
我们从散射程度就可以确定，这些射电暴一定是来自宇宙的深处。如果我们能在地球上观测到宇宙中正在发生的快速射电暴，那么爆发源那里一定是亮到无法想象的。那一定是某种超乎想象的能量的大爆发，是什么导致了快速射电暴的发生？而快速射电暴又是什么呢？
这方面的研究成果已经发布了一些。第一篇研究论文发表于2007年，天体物理学家们试图解开快速射电暴的身世之谜。他们提出了很多观点，比如星体爆炸、星体撞击、中子星撞击、中子星与黑洞或超高磁星撞击、或者中子星与不稳定磁场撞击，从而产生巨大的射电暴。
科学家们提出了许多想法，但目前还没有一个模型能够解释快速射电暴的所有特性。第一次报道是2007年，但2016年我们得到了一个重要的新线索。我们在捕捉到快速射电暴后对其中一个射电暴的位置进行长时间观察，这给我们带来了惊喜。我们突然看到从天空中的同一位置来的具有相同散射程度的多个射电暴。这表明它们来自同一个爆发源，这在之前是从来没有发现过的。
我们从来没有探测到同一个爆发源再次发出射电暴，发现不同射电暴来自同一个爆发源具有重大意义。自那之后我们在过去一年左右的时间里又探测到了数百个射电暴，我们完全推翻了所有认为是星体灾难爆发出射电暴的观点。这种观点认为爆发源在发出射电暴后会自我毁灭，但一个星体不可能爆炸和自我毁灭几百次。对于这个快速射电暴，我们知道它不可能是由于星体灾难而产生的。它让我们发现了关于爆发源的重要知识，但所有快速射电暴都会重复吗？我们真的不知道。
我们对许多射电暴进行了长时间观察，也许有些只是在很慢地重复，那么所有射电暴都会重复吗？我们不知道。而重复的和不重复的射电暴的爆发源是什么？我们也不知道。那么我们如何去了解它？我们要找到更多的快速射电暴。我们需要研究它们的整个“家族”，但如何才能研究随机出现在天空中的这种天体物理现象的源头呢？
射电暴可能出现在任何地方，我们不知道它们何时何地会出现。那么我们需要什么样的望远镜呢？我们需要可以随时观察任意位置的望远镜，这听起来是个很大的挑战，但我们正在加拿大使用新型的CHIME望远镜做这件事，也就是加拿大氢气强度映射实验。CHIME是一种革命性的新型望远镜，它和你们见过的任何射电望远镜都不一样，它没有传统的聚焦于一点的抛物面反射镜，而是由四个圆柱形反射镜组成。每个反射镜长100米，宽20米。CHIME望远镜的总面积相当于五个曲棍球场，所有部件都是不可移动的，反射镜都是沿正南正北方向放置的。
如果天空中有什么出现在它上方，我们就可以看到。因此我们可以全天候地观测整个北半球的天空，进而探测出快速射电暴。每个反射镜的轴心都安装了256根天线，频率范围在400-800兆赫，因此总共有1024根天线来收集信号，收集到的信号会通过电缆传输给精密的电子设备。这些电子设备安装在房屋下面的箱子里以及反射镜下面和旁边，数据传输量大约是每秒13TB，与全球蜂窝网络的每秒数据传输量相当，这些数据通过望远镜现场的超级计算机实时处理。
那么我们为什么要把望远镜造成圆柱形呢？对于传统的射电望远镜，我们可以定点观察天空中的某个特定区域。但它只能观察一个非常小的区域内发生的短暂现象，你不知道你划定的区域对不对，事实上很可能不对。快速射电暴可能来自各个方向，但也许恰恰你划定的方向上没有，因此发现快速射电暴就像中彩票头奖一样难。
圆柱形反射镜面向一个方向上，而另一个方向在天空中是一片巨大的区域。反射镜对那片区域也是可以全天候监测的，CHIME望远镜的探测范围比传统射电望远镜大得多。因为我们无法预测瞬间的现象会发生在哪里，所以广泛的探测范围是非常必要的。
因此CHIME望远镜能在一年左右的时间里探测到数百个快速射电暴，那么为了能与反射镜巨大的探测范围相匹配，我们需要一个速度超乎想象的软件管道，用数百台计算机实时处理这些数据。我们不可能每秒存储13TB的数据，我们会丢掉大部分数据。
软件管道是由学生和博士后在顶尖程序员的指导下编写的，庞大的软件管道作为一个触发系统实时运转。我们对每秒13TB的数据进行有效的缓冲，而且缓冲是非常简洁的。作为触发系统的软件管道锁定快速射电暴，数据在被覆盖之前会被卸出至电脑。这样电脑就可以从容地对数据进行分析，这个系统自2018年以来一直运行良好。
软件管道就装在反射镜旁边的集装箱里，整个系统是由优秀的研究员团队搭建的，包括从本科在读生到博士后的学术人才以及其他专业人士。该系统一直运行得很好，使得我们现在能探测到大量的快速射电暴。
目前在南半球探测到的快速射电暴，都是由位于澳大利亚的Parkes射电望远镜发现的。Parkes望远镜一直在有效地运行，但探测到的数量不多。而我们的CHIME望远镜，得益于它巨大的探测范围和高速数据管道。我们覆盖了整个北半球的天空并可以到处探测到快速射电暴，而我们的重大发现之一就是17个新的重复爆发源。
这表明2016年探测到的第一个重复爆发源并不是个例，CHIME望远镜让我们可以探测到全部重复爆发源发出的射电暴。有了这个基础，我们就可以做一些有趣的统计研究。比如我们可以对比重复爆发源和非重复爆发源发出的射电暴的持续时间和长度，我们发现重复爆发源发出的射电暴的持续时间略长，平均多出几毫秒，这说明重复爆发源和非重复爆发源可能是两种类型完全不同的天体。
因此快速射电暴可能不止来自某一种类型的天体，而是两种甚至更多种类型的天体。目前我们正在制作第一个CHIME望远镜快速射电暴目录，记录500多个爆发源。我们还将进行多项研究，比如天空分布 属性分布和散射程度分布，从而破解爆发源在宇宙中是如何分布的，我们对此感到非常兴奋。
最后我想说，请继续关注我们。我们这个由学生 博士后和专家组成的优秀团队。将为CHIME快速射电暴项目带来更多成果，非常感谢！
