从《三体》看快速射电暴：宇宙新一代的“破壁人”

导读：坠，繁城星雨，光子与等离子体不期而遇。追忆，何时开始的旅行？

忆，思念几许，被人类文明深深吸引。

灼灼其华，雄光熠熠，徜徉宇宙的涓涓印记，带来光年以外的信息。

是远方的呼唤，是星海的幽暗，我是那一颗颗闪烁着的炽热谜团……似白虹饮涧，玉龙下山，晴雪飞滩。

01 不要回答！不要回答！！不要回答！！！

“叶文洁打开结果文件，人类第一次读到了来自宇宙中另一个世界的信息，其内容出乎所有人的想象，它是三条重复的警告：不要回答！不要回答！！不要回答！！！”

图1：叶文洁使用红岸基地的设备接收到三体世界的信息。（来源：《三体》电视剧）

《三体》中有这么一段情节，描述了“三体”文明和人类文明的第一次碰撞(见图1)。然而，科幻竟在不经意间照进了现实。十多年前，人们以同样激动和震撼的心情，收到了来自宇宙的“讯息”。与小说中不同，这一历史性的时刻并没有发生在叶文洁记忆中那片广袤无垠的红岸基地，而是远在美国边陲的西弗吉尼亚大学。

这是2007年一个平常的日子， Lorimer 教授与其学生 Narkevic 在整理澳大利亚 Parkes 望远镜一些陈旧的观测数据时，意外发现了一个沉寂多年的、极不寻常的射电脉冲。这个信号非常亮，在射频波段上转瞬即逝，如璀璨的烟火刹那间消逝于漆黑的夜空。通过数据分析，他们判断这个信号可能来自银河系之外的宇宙深处，是一类崭新的天文现象。随后这一发现被发表在《科学》杂志上[1]（见图2），但当时人们对此将信将疑。

图2：2007年公布的首例FRB（Lorimer暴）的“瀑布”图。（来源：Lorimer et al. 2007[1]）

直到2013年，Thornton 教授再次捕捉到了4例类似的信号，人们才认识到这是一项重大的天文发现，并将其正式命名为“快速射电暴”（fast radio burst; FRB），而之前的第一例 FRB 也被称为 Lorimer 暴。顷刻间，这一方兴未艾的发现，就被推向了射电天文的风口浪尖。

到了2017年，随着第一例重复暴 FRB121102 的定位， FRB 的宇宙学起源终于得以确认。FRB 也被美国天文学会誉为“自 LIGO 探测到引力波以来，天文学最重大的发现”。

迄今为止，在射电波段，FRB仍是人们发现的最亮的瞬变天文现象——仅在千分之一秒的时间内，就能释放相当于太阳一年甚至几年的辐射总量。持续时间之短，释放能量之巨，令人乍舌。尽管天文学家们已经提出了不下几十个理论模型，但FRB 的起源和辐射机制依然是迷雾重重。其中，不乏知名的天文学家——美国哈佛大学的前天文系主任 Loeb 教授——提出的“FRB 是外星人太空旅行乘坐的‘光帆’，正巧余光照到地球被发现了”的外星文明起源理论[2]。

细思极恐！难道 FRB 真的是来自外星文明的信号？难道我们的地球真的早已被外星人察觉了？任何理论都还得通过实验证实。为了解决这个21世纪最大的天文之谜，世界各地的各大天文台，纷纷开展了大量的观测实验。

02 躁动的射电宇宙

在国外，诸如美国的 Arecibo 、澳大利亚的 ASKAP 以及加拿大的 CHIME 等多台射电望远镜都成功观测到了大量 FRB 事件。尤其是 CHIME 在2021年公布的第一个 FRB 目录[3]，包含了536例事件，极大地丰富了 FRB 的数据库样本。

在国内，我国拥有当今世界口径最大、灵敏度最高的射电望远镜，被称为“中国天眼”的 FAST 。FAST 在 FRB 的射电探测上取得了众多重要的科学成果，实现了该领域的重大突破。例如，通过监测银河系磁星 SGR 1935+2154，成功确认了 FRB200428 的磁星起源，并得到与磁星X射线暴的弱相关性[4]；通过对 FRB121102的长期观测，在60个小时内捕获了1652次爆发信号，取得当前单个 FRB 最大数量的样本[5]（见图3）；通过测量 FRB20180301A 的极化特性，证明了磁星起源的 FRB 的辐射来自其磁层[6]；探测到了迄今最活跃的重复暴 FRB190520 ，这也是第二例伴随有致密持续射电源的 FRB [7]……这些成果都在《自然》《科学》等国际顶级期刊上发表。FAST 已是全世界探测到 FRB 样本数最多的望远镜，成为了产出 FRB （探测信号）的“工厂”，为解决 FRB 的起源和演化等前沿科学问题提供了重要观测线索。有了这一“国之重器”，中国天文正一步步实现从追赶到超越世界。

图3：FAST捕捉到来自第一个重复暴 FRB121102 的脉冲，取自FAST真实数据。（来源：FAST官网）

除了 FAST ，在今年年底，东北大学联合中国科学院国家天文台将在新疆建成“天籁计划”二期工程多波束巡天阵列射电望远镜（项目负责人为东北大学张鑫教授）。届时，将实现更高的灵敏度和空间分辨率，使用数字合成波束技术开展对 FRB 的盲寻，并利用甚长基线干涉测量技术对FRB进行定位。

目前，人们已经探测到了700多个 FRB 源，总计5000多起暴发事件[8]。据估计，宇宙中每天至少会发生1000起这样的事件！这类神秘的射电暴发，实际上在宇宙中非常频繁。只是人们过去从未察觉，直到近年才开始关注它的存在。因此，表面上宁静而深邃的宇宙，在看不见的一面，是如此的躁动不安。

03 “面壁者宇宙，我是你的破壁人”

在《三体》中，人类利用三体人无法读取人类思维的唯一弱点，精选了几位“面壁者”，让他们把各自的反击计划藏在心里并秘密执行，过程中不透露给任何人，以此来对抗“三体”文明的入侵。而三体人也不甘示弱，派出“破壁人”试图套出“面壁者”内心的真实计划（见图4），展开了一场精彩的思维博弈……

图4：在冰冷的湖水中，《三体Ⅱ》的主人公罗辑领悟了“宇宙黑暗森林法则”的真谛。（来源：《我的三体》动画）

类比我们整个宇宙，它心中也藏着很多“秘密”。比如，它从何而来？生命的起源是什么？暗物质和暗能量是什么？第一代恒星和星系是如何形成的……这些悬而未决的科学未解之谜，都是十分重大且基本的问题，吸引着人们的好奇心。

可是，宇宙对于它的这些“秘密”守口如瓶，就像《三体》中的面壁者一样。想想也是，宇宙怎会情愿将它的终极奥秘，轻易透露给这个尚在起步阶段的地球文明呢？

面对浩瀚的宇宙，古人只能望洋兴叹：“天高地迥，觉宇宙之无穷”。而步入现代，随着观测设备不断的升级，人们意识到，应当寻找宇宙中合适的信号来窥探宇宙。为此，人们发展了一些宇宙学探针，让它们充当“破壁人”的角色。主要有宇宙微波背景辐射（cosmic microwave background; CMB）、重子声学振荡 (baryon acoustic oscillation; BAO)、Ia型超新星（SNe Ia; 以下简称SNe）等提供的观测数据。

但人们发现，它们仍不足以回答宇宙诸多未解之谜。CMB 作为其中的佼佼者，宣布了标准宇宙学模型在解释宇宙膨胀历史和宇宙大尺度结构形成上的胜利。但 CMB 测量的只是早期宇宙，很难解释晚期宇宙的复杂问题。因此，人们急需在晚期宇宙中寻找新的宇宙学探针充当宇宙的“破壁人”， 来打开观测宇宙的新窗口。

那么，主要产生于晚期宇宙的 FRB 适合扮演这样的角色吗？

我们知道，光在经过三棱镜时，会折射成五颜六色的单色光，这就是“光的色散”。同样地，频率更低的 FRB 在宇宙的等离子体中传播时，也会发生色散，即高频的成分比低频成分先到达地球，这种延迟效应在射电频段尤为明显。射电望远镜可以准确地测量“色散量”（dispersion measure，DM）的大小，从而可以在宇宙学模型的框架下得到 FRB 源到地球的“距离”。

在宇宙学研究中，对距离的测量至关重要。作为数十亿光年之外的天外来客， FRB 能为人们提供宇宙尺度上的距离和物质信息。另外，红移是和宇宙膨胀有关的一个物理量，人们可以通过射电望远镜的精确定位，结合光学巡天观测得到的星系星表，获得 FRB 的红移。这样，通过构建 FRB 的色散-红移关系（也称为 Macquart 关系[9]，见图5），可以对一些关键的宇宙学参数进行限制。例如暗能量的状态方程参数 ，当今宇宙膨胀速度（哈勃常数 ）以及宇宙中重子（主要是质子和中子）物质的密度 。在当代宇宙学的发展中，这三者的测量都面临一些挑战。这些问题就像“三座大山”矗立在人们面前，形成了一道坚固的壁垒。

图5：定位FRB的色散量和红移的Macquart关系。作者仅利用5个定位FRB就找到了宇宙中丢失的重子物质。（来源：Macquart et al. 2020[9]）

这时，天上星河百转，如凌万顷之茫然。这些射电的精灵，仿佛在以一种庄严而神秘的口吻宣告：“面壁者宇宙，我是你的破壁人”。

04 FRB 的“破壁计划”

早在第一例 FRB 发现之时， Lorimer 便富有远见地指出：“类似的信号可能每天上百次出现。如果测量到，将成为宇宙探针”。现在看来，这类“时髦”的天文现象，作为新型的宇宙学探针，有望完成“破壁”之举。

在未来，国际大科学装置“平方公里阵列射电望远镜”（Square Kilometre Array; SKA）建成之后，以其超高灵敏度、超大视场以及超高分辨率等优势，十年内预计可以探测并定位十万到百万的 FRB 数据样本。那时候，SKA时代探测到的这些海量的定位 FRB ，将开启它的“破壁计划”，劈开当前宇宙学前进道路上的“三座大山”(见图6)。

图6：SKA时代的FRB有望劈开当代宇宙学道路上的“三座大山”，完成“破壁“之局。“三座大山”从左到右分别代表着暗能量、哈勃危机以及丢失重子问题。（来源：张骥国）

第一座“大山”是暗能量。

一斩“看不见的黑暗”。暗能量之谜，是当代基础物理和宇宙学中的重大科学问题。它最大的特性是能产生一种排斥性的引力，从而推动宇宙加速膨胀。它看不见、摸不着，却占据了整个宇宙约 68% 的能量份额。要揭秘暗能量的本质，最关键的一步就是要对其状态方程参数 进行精确的测量。对此，那些老一辈的“破壁人”——CMB+BAO+SNe 联手可以把它限制到约 3% 的精度，但这不足以揭示暗能量的本质属性。到了SKA时代，利用百万起 FRB 事件就可以把 限制到约 2%的精度，好于CMB+BAO+SNe的结果[10]（见图7第一行结果），实现了“以一敌三”，有助于人们进一步理解什么是暗能量。

图7：SKA时代十万和百万量级的定位FRB对于暗能量和哈勃常数的限制精度。（来源：Zhang et al. 2023[10]）

第二座大山是哈勃常数问题。

二斩“理不清的情丝”。面对时时都在膨胀变大的宇宙，人们自然会提出这么一个最基本的问题：宇宙的膨胀到底有多快？这也是宇宙学研究中非常重要的问题。然而，就是这样一个关键的问题，人们竟得到了两种迥然不同的答案。早期宇宙的 CMB 测得 约为 ，而晚期宇宙的 SNe（造父变星-超新星距离阶梯） 测得 约为 。两位“破壁人”给出的结果竟明显不一致，是谁在欺骗我们？哈勃常数 测量的不一致性问题，已经引发了新的宇宙学危机, 被称为“哈勃危机”。为了解决这个危机，势必需要引进第三位“破壁人”进行仲裁。

考察了SKA时代的 FRB 对于解决这个纠纷问题的裁决能力[1]。我们发现十万量级的 FRB 就能强于它的三个“前辈” CMB+BAO+SNe；而百万量级的 FRB 还能把 限制到小于1% 的精度，达到了精确宇宙学的标准[10]（见图7第二行结果）。

这么看来，FRB 有着不俗的潜力帮人们化解这一危机[严格来说，FRB单独并不能限制 ，需借助其他宇宙学探针如 CMB 或引力波标准汽笛的方法来打破参数简并，才能有效限制住。]。

第三座大山是“丢失重子问题”。

三斩“找不到的幽怨”。与 CMB 对整个宇宙的重子密度测量结果相比，近邻宇宙的结果却出奇地少了近 30%。人们猜想，这些“失踪”的重子，可能分布在宇宙中某些极度稀疏的介质中。然而，这些介质实在过于稀疏，多年来，人们运用各种光谱分析方法也未能将这些失踪的重子全部找回。到了2020年，澳大利亚的 Macquart 教授仅用5例定位的 FRB 事件，就成功找到了宇宙中所有丢失的重子物质[9]。然而，他们的结果还存在着很大的误差，未能完全解决“丢失重子问题”。在未来，借助 SKA 时代的定位 FRB ，有望将这个误差缩小到约0.1%的精度[10](见图8)，彻底解决这个疑难问题。

图8：SKA时代百万量级的定位FRB对于宇宙重子密度的限制精度。（来源：Zhang et al. 2023[10]）

总之，宇宙对它的这些“秘密”三缄其口， FRB 也许能替它告诉我们答案。

尽管人们还不了解 FRB 的起源和机制，何不让应用与观测同行？让它发挥其在宇宙学参数精确测量及破解宇宙学重大难题方面，所展现的巨大的潜在价值。这也许能让它成为一个合格的“破壁人”，帮助人们了解这个“胸有惊雷，而面如平湖”的宇宙。

05结语

也许在未来，当 FRB 揭开它神秘的面纱时，它终归不会像叶文洁收到的信号那样，来自某种高级的外星文明。这可能会令人感到遗憾。但是，在探索未知的过程中，不可磨灭的是一代代科研人、追星人矢志不渝的探索精神。就像“三体”文明的讯息袭来时，叶文洁感慨道：“宇宙不荒凉，宇宙不空旷，宇宙充满生机！”人们对于 FRB 的探索，也正在逐步地改变人类的宇宙观，同样告诉着全人类——宇宙之大，每个角落，并不孤寂……

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