快速射电暴是宇宙中一种非常剧烈的射电闪光现象。随着探测手段的提升以及大型射电装置的投入使用，人们不断地探索着快速射电暴蕴含的丰富的天体物理信息。近日，《自然》期刊发表了一篇关于週期性重复快速射电暴的报道，其约爲16天的週期特徵将爲我们揭示快速射电暴的起源迈进巨大的一步。本文基于张冰教授在《自然》发表的评论文章整理而成。
快速射电暴（FastRadioBursts，FRB）是一种神祕的来自银河系外的射电天文现象。爆发的持续时间仅爲几个毫秒，却可在这极短的时间内显示出极高的亮度。根据估计，FRB在几个毫秒释放的能量，相当于太阳燃烧一天的能量总和。
2007年，Lorimer团队从澳大利亚Parkes望远镜歷史的存档数据中找到了人类歷史上第一个被观测到的FRB事件：FRB010724。随后，Keane、Thornton等团队陆续发现了其他类似的事件，这标志着FRB的研究正式成爲时域天文学的一个重要新方向。
每个FRB发射出的电磁波在宇宙中传播时，通常都会受到星际介质的影响，高频电磁信号总是比低频信号更早到达接收机，这一现象称爲电磁波的色散。色散量的大小由介质的等离子体密度和传播的路径决定。自第一例FRB发现以来，不论是观测的色散量超出银河系预期的色散量贡献，还是精确到宿主星系的定位，都表明FRB是一些来自银河系外的辐射过程，其起源一直是天文界的热点话题。
起先，人们认爲FRB起源于一些极端的灾难性事件，如双緻密天体併合、超新星爆发等。2016年，第一例重复暴事件FRB121102的发现引起了天文学界的热议。重复暴是指能够在同一个位置产生两次以上FRB事件的源。重复暴的发现使人们意识到FRB绝对不是简单的灾难性事件所能解释的。重复暴的研究尤爲重要，它们可以在天空的同一个地方重复地产生。由于FRB持续的时间极短，科学家很难对其进行精确定的空间定位。但重复暴的发生在不断地爲我们提供机会，一次不行两次，两次不行多试几次，总是能确定暴发源的位置。
2017年，科学家们实现了对重复暴FRB121102的精确定位，并找到了其距离我们30亿光年左右的宿主星系。距离这个FRB源120个光年以内的距离，存在一个未知的射电持续源。随着技术手段的不断提升，目前已有9个FRB定位到其宿主星系，暗示着FRB宇宙学的时代或将到来。2018年，在FRB121102的偏振测量中，科学家发现这个FRB源可能处于一个极高的磁场环境中，这是目前其他FRB源所不具有的特徵。尽管人们在重复暴宿主星系以及磁场环境的研究上做了许多努力，FRB的起源依然成谜。
2019年，多个新的重复暴源被发现，天文学者们自此确信重复暴不再是某种个例。迄今爲止，已经有超过100个FRB源被发现，而其中有20多个源可以重复地产生爆发。绝大多数重复暴中可以发现一些奇怪的子脉冲结构，这些子脉冲具有不同的中心频率，并在不同时刻抵达探测器，这种现象称爲时间-频率漂移。2020年4月份，这一现象在一个银河系内的磁星射电暴发中被发现，暗示着磁星或许与FRB之间有着千丝万缕的联繫。
不过。不论磁星也好、中子星也罢，它们都是宇宙中高速旋转的强磁场緻密天体。理论上这类天体是产生FRB的绝佳场所，特別是脉冲星这种高速旋转的中子星，其射电辐射束总是週期性地扫过地球视缐方向。人们自然联想到，旋转的中子星或者磁星作爲FRB的起源，极有可能存在某种週期性特徵。
近日，加拿大氢强度测绘实验（CHIME，图1）发佈了FRB180916.J0158+65存在大约16天爲重复週期的观测结果，这爲人类揭示FRB的起源迈出了巨大的一步！
FRB180916.J0158+65是CHIME发现的最早的重复暴之一。它也是迄今爲止发现的距离我们最近的FRB（红移爲0.034，距离我们4.8亿光年），其宿主星系是一个旋涡星系。
该星系拥有较高的恆星形成率，这与另一个重复暴FRB121102的宿主星系类似，却不同于其他一些非重复的低恆星形成率宿主星系，这或许说明在FRB王国中的确存在着重复暴和非重复暴两类成员。
在如此长时间尺度的天体物理现象中寻找週期并不是件容易的事，尤其是只有几十个观测样本。这需要仔细分析观测数据来寻找活跃的时间窗口，而这一任务通常会因假定的规则爆发週期未知而变得非常复杂。另外，具有宽功率谱的随机过程，即红噪声，其功率密度平滑地增加到低频。红噪声对週期的寻找也是一个棘手的难题。如果忽略红噪声的影响，随机的变化也可能产生看似週期间隔的行爲，如先前对某些类星体的观测（图3）。
对于週期特徵的解释，一种说法认爲FRB起源于轨道週期爲16天的中子星双星系统[13，14]。当中子星与其大质量伴星靠的比较近时，双星系统进入活跃状态。根据轨道週期计算，这需要双星之间的距离大约爲四分之一个天文单位（日地距离，约1.5亿公里），然而在这个距离下中子星与伴星的相互作用很难达到产生FRB的要求。我们考虑FRB辐射来自于中子星自身的活动，伴星强大的星风会遮挡来自中子星的射电辐射，如果中子星也存在强力的星风，那么它将扫开周围的恆星星风物质，打开一个射电窗口，使FRB有机会扫过地球。这个窗口以16天爲间隔，週期性地扫过我们的视缐（图4a）。
中子星的进动週期是另一种可能的解释。“週期性”一词对于中子星而言，往往自然让人联想到自转週期，然而实际上中子星具有极高的自转速度（週期大小爲1毫秒到1秒），16天的长度似乎不太能解释爲中子星的自转週期。由于中子星自身存在一定的椭率，高速旋转的中子星可产生週期爲几十天的自由进动。又或者在伴星的引力作用下，中子星同样可产生类似週期大小的受迫进动。这裏在几何上要求FRB产生于中子星的磁层，极端相对论电子使大部分辐射流量被集束在一个很窄的光锥内。这些射电束就像陀螺仪一样，随着中子星的进动，週期性地进入地球的视野（图4b）。
总之，FRB週期的探测，可谓是一项艰鉅而精细的工程，它对于揭示FRB的起源有着重大意义。同时，FRB的週期活跃性也爲后续跟踪观测提供指导。当然，是否存在比16天更短的公约数週期问题依然值得探索。我们不禁思考，週期性特徵究竟是不是所有重复暴共同具有的属性。非重复暴本身是一些重复率极低的事件，还是本徵的一次性事件。这需要我们在未来使用大型观测设备投入更多的时间跟精力进行探索。相信揭祕FRB真相的这一天已经不远了。
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