在《自然》杂志评选的2020年十大科学发现中，首次发现“银河系中的快速射电暴”名列其中。这项科学成果是包括我国著名的“中国天眼”——500米口径球面射电望远镜（FAST）在内的世界多个地基天文台和空间望远镜合作观测而发现的。那么，我们能够从这项科学成果中得到哪些启示？“中国天眼”未来在世界天文学研究中的地位如何？这里就来进行一些简要解读。

1 快速射电暴的来源——磁星

此次发现的银河系中的快速射电暴，是第一个与“磁星”相关的射电暴，验证了磁星可以作为快速射电暴的来源之一。那么，磁星是什么？

我们的宇宙博大深邃，包罗万象，有许多现象和奥秘尚未被人类理解，而快速射电暴和磁星只是其中的沧海一粟。为了理解这两种距我们十分遥远的物理问题，需要先从太阳说起。

众所周知，太阳属于“恒星”。“恒”者，久也。太阳之所以能长且久，是因为它实现了两种力的微妙平衡：一种是指向太阳内部中心的万有引力（跟我们地球的引力一样），这种力量将太阳上各种元素（主要是氢元素和氦元素）紧紧地压缩在一起，在太阳中心的压力如此之大，以至于那里的元素会发生核聚变反应；另一种力是从太阳中心指向外部的“膨胀”压力，这种力是由于太阳中心的核聚变反应产生的，该反应不断地向外辐射光、热、物质（中微子等），因此有把太阳“撑起来”的趋势。在这两种力量相互平衡之下，太阳尽管每秒钟都在发生剧烈的核聚变反应、向外辐射出巨大能量和物质，但同时还能保持着体积、颜色、温度的大体稳定——目前太阳大约已经存在了45.7亿年，正处于它的“中年时期”，大概50亿到60亿年之后，太阳内的氢元素才会消耗殆尽。

那么，恒星在“核燃料”消耗完之后会发生什么呢？其中一个可能性就是演变为中子星。在这种演变过程中，最初是恒星内部核聚变燃料不断变少——氢元素聚变成氦元素，氦元素聚变成碳元素等，碳元素继续聚变，直到聚变成能量最低的铁元素。到这一步，恒星就没法再继续从核聚变中获取“对抗”万有引力的能量了，因此会发生“引力坍缩”。如果恒星的质量足够大，引力坍缩导致外围物质急剧地向中心“坠落”，动能转化为大量热能，有可能反过来发生向外的“二次爆炸”，即“超新星爆发”（顺便说一句，根据科学家推算，太阳质量太小，因此不会发生超新星爆发）。著名的蟹状星云就是我国在北宋期间记录到的一次超新星爆发后形成的。在超新星爆发后，恒星剩余的物质继续在剧烈的引力作用之下被压缩成更加致密的天体——白矮星、中子星或黑洞等，它们都可以被看成恒星爆发之后形成的“残骸”。

中子星尽管体积被引力压缩得很小（一般直径在十几公里左右），但是密度极大，一立方厘米的中子星质量可能达到几十吨；同时自转速度极快，并且磁场强度很高。根据高中物理知识就可以知道，旋转的磁场会产生电场，因此中子星的自转会向外辐射电磁波。如果中子星的自转轴和它的磁极轴方向不一致，那么向外辐射的电磁能量在某一固定的方向上（例如从地球观测这颗中子星的方向）就会显得时大时小，而且变化周期恒定，就像无线电脉冲信号一样，因此这种中子星就被称为“脉冲星”。

本次研究成果中的主角之一——“磁星”，指的就是磁场强度格外大的中子星（磁场强度超过1000亿特斯拉）。而像磁星这样磁场超强的天体，如果表面含有以铁为主的重元素，在强大的磁场张力作用下，有时会导致磁星发生“星震”，会以X射线、伽马射线的形式释放出大量能量，形成“X射线暴”及“伽马射线暴”。

2 “快速射电暴”是什么？

那么“快速射电暴”与X射线暴和伽马射线暴有何不同呢？

X射线和伽马射线，都属于电磁波中能量比较高的部分，它们的波长比紫外线还要短，能够穿透人体；而红外线、无线电波即“射电”（二者英文都是“radio”）的波长则比可见光还要长，能量比较低，很容易被遮挡。本次研究成果的主角之二——“快速射电暴”，也是一种剧烈的天体活动发出的电磁波爆发，只不过它的频段位于“射电”波段，而且发生速度很快，一般仅持续几毫秒的时间。

那么，什么剧烈的天体活动会引发快速射电暴呢？目前国际科学界对此还没有定论。事实上，人类直到2007年才首次找到快速射电暴的观测证据，提出了各种各样的理论来对这种现象进行解释。有人认为，它可能是由星系核心的超大质量黑洞附近的喷流向外释放能量而引发的；有人则认为它可能是脉冲星穿越小行星带的过程引发的；还有人认为，磁星上的剧烈活动产生的冲击波（伴随磁场变化）和粒子（包括电子）导致电子围绕磁场旋转，也会发出射电暴。

由于快速射电暴发生的时间如此短暂，因此人们往往来不及确定它们发生的地点；加上到目前为止人们所观测和记录的快速射电暴数量仍十分有限，所以长时间以来，对快速射电暴起源的研究一直属于天文学的前沿热点问题。

3 “中国天眼”发挥了什么作用？

2020年4月27日，美国发射到太空中的两台空间望远镜——“雨燕”号和“费米伽马射线空间望远镜”首先探测到了来自一颗磁星的多次X射线和伽马射线暴发。这颗磁星名为“SGR 1935+2154”，位于银河系之内。

仅仅过了一天，西半球的两个射电天文台——“加拿大氢强度制图实验”和“瞬时天文无线电发射调查 2号”在同一片天空区域内监测到了快速射电暴，然后将这次快速射电暴根据日期命名为“FRB 200428”。随后，欧洲航天局的空间望远镜“国际伽马射线天体物理实验室”、美国国家航空航天局的“风”卫星上搭载的俄罗斯观测仪器“柯尼斯”、中国“慧眼”卫星——“硬X射线调制望远镜”也都报告监测到来自这颗磁星的X射线信号，而且发生时间与这次快速射电暴相同。

受地球自转影响，2020年4月28日晚些时候，这颗磁星所在的天空区域才进入“中国天眼”的观测范围。根据中国科学家在《自然》杂志上发表的论文，“中国天眼”在此前几周内一直在观测这颗磁星，但受限于观测的时间窗口，并未监测到与空间望远镜看到的X射线暴相关联的快速射电暴。然而，两天之后，“中国天眼”在这颗磁星附近又监测到一次快速射电暴，进一步证实了磁星“SGR 1935+2154”与快速射电暴之间的密切联系。

这项发现的重要意义有三点：第一，它是首次在银河系中发现的快速射电暴；第二，它是首个除了向外辐射“射电”波段能量之外，还伴随着X射线能量爆发的射电暴；第三，它是首个与“磁星”相关的射电暴，验证了磁星可以作为快速射电暴的来源之一。

《自然》杂志评论认为，“中国天眼”、“慧眼”卫星等世界地基天文台和空间望远镜一起，在确定磁星的亮度、推理磁星和快速射电暴之间的关联关系上都发挥了重要作用。此次发现的快速射电暴不仅是迄今为止在银河系内发现的磁星发出的最亮的无线电脉冲，而且可能解决了关于快速射电暴起源的关键难题，证明磁星的确可能是快速射电暴的源头。

延伸阅读

“中国天眼”已发现脉冲星超240颗

“中国天眼”口径高达500米，全称为“500米口径球面射电望远镜”，“FAST”是这一全称对应的英文缩写。它位于我国贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇大窝凼的喀斯特洼坑中，巧妙地利用了天然的喀斯特洼地，建成了目前世界上最大的单口径射电望远镜，创造了科学工程和天文设施的奇观。

“中国天眼”的建设始于2011年，2016年9月首次亮相。经过3年的测试和调试，于2020年1月11日宣布全面运行。在全面运行之前，“中国天眼”就于2017年8月首次发现了两颗脉冲星，稳定可靠地运行到现在（2021年1月），“中国天眼”发现的脉冲星已经超过240颗。

建成于1963年的美国“阿雷西博”（Arecibo）望远镜，口径350米，是世界上建成最早的巨型单口径射电望远镜平台。令人遗憾的是，2020年12月，阿雷西博望远镜在发生两次严重的电缆事故后，望远镜的馈源舱坠落并砸毁了反射盘表面，导致该望远镜已经无法使用。这使“中国天眼”成为世界上仅存的巨型单口径射电望远镜平台。

“中国天眼”已经宣布将于2021年4月开始面向全球科学界开放接收实验申请，并于2021年8月生效。相信未来“中国天眼”必将在国际天文学研究中扮演更大角色，取得更多、更重要的辉煌成果。

原标题：发现银河系射电暴背后的故事

来源：北京日报 作者：郭世杰（作者系中国科学院文献情报中心“空间光电与重大科研设施”团队情报咨询师）

流程编辑：l004

编辑:u004