中國天眼揭秘宇宙“隨機煙花”

FAST揭秘快速射電暴。課題組供圖

本報訊（記者崔雪芹）中國科學院國家天文臺“中國天眼”（FAST）首席科學家李菂團隊提出了一種全新的方法，全面分析了活躍的快速射電暴在時間-能量相空間中的行為。相關研究成果4月12日以封面文章形式發表于《科學通報》。

“這一發現揭示了快速射電暴爆發的行為模式，展示了其不同于其他物理現象的發射規律，標志著我們對快速射電暴理解的一個飛躍。”論文通訊作者李菂告訴《中國科學報》。

作為宇宙在射電波段最劇烈的爆發，快速射電暴在千分之一秒的時間內釋放的能量足夠驅動人類社會運轉萬億年。爆發的信號就像閃亮的宇宙煙花，可以穿越大半個宇宙被人類捕捉。

快速射電暴的發現和研究，為我們探索宇宙極端環境、驗證物理理論提供了絕佳的實驗場。在過往的諸多研究中，尋找快速射電暴在毫秒到秒量級周期的所有努力均以失敗告終。這使得研究者重新考慮快速射電暴的發射方式。周期搜索針對爆炸事件序列的發生時間，忽略了其能量，特別是時間和能量這兩個基礎物理參數間可能的關聯。

針對FAST探測到的上千次快速射電暴爆發，李菂團隊成員張永坤發展了全新的“Pincus-Lyapunov相圖”分析方法，為度量和比較不同天體事件，如快速射電暴、脈沖星、地震、太陽耀斑等在時間和能量二維空間上的隨機性和混沌性提供了標準。

混沌與隨機事件都不可預測，但是其表象不同。一個隨機序列的不可預測性是隨時間穩定的，比如擲骰子，無論第幾次拋擲，都無法根據現在的點數預測出下一次擲出的點數。而在一個混沌系統中，不可預測性是隨時間指數增長的。比如天氣系統，可以根據當前的天氣狀況大致估計短時間之后的天氣，然而我們很難準確預測未來一周的天氣狀況。間隔越久，預測越困難。

在隨機性-混沌性的相空間中，快速射電暴表現出明顯的隨機性，宛若在時空中隨機漫步。而地震、太陽耀斑等表現出顯著的混沌性。地震的發生概率依賴于地震的強度。大型地震后往往出現頻繁的余震，而快速射電暴并不表現出此類依賴模式，這對于流行的致密星殼層震動觸發快速射電暴的模型提出了挑戰。

該研究的深度和獨創性為深入探索快速射電暴的起源理論開辟了新方向。快速射電暴的高度隨機性表明其可能來源于多種相互作用的機制，而這些機制之間的相互影響正是下一步研究的重點。隨著科技進步，FAST讓科學家能夠更加精確地捕捉這些宇宙間的絢爛“煙花”并探索其所蘊含的秘密。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.02.010

《中國科學報》 (2024-04-12 第1版 要聞)