“中国天眼”成果上新我国科学家揭秘快速射电暴随机时空行为

快速射电暴(Fast Radio Bursts，简称FRBs)是一种来自宇宙深处短暂而强烈的无线电波爆发。就像它的名字一样，快速射电暴在千分之一秒的时间内能够释放巨大的能量，足够驱动人类社会万亿年。自2007年人们第一次发现快速射电暴以来，它就因其神秘和强大吸引了全世界科学家的注意，并在2023年获得了邵逸夫天文学奖。但是，至今为止，我们还不知道这些强大的能量是如何产生的，而解开这样的谜题可能会帮助我们在天文学甚至基础物理学上取得重大突破。

尽管现在还不能确切知道快速射电暴具体是如何发出的，但是至少可以猜测源头，是某种蕴含着极高能量密度的所谓致密天体，比如中子星或者黑洞。我们知道中子星的信号会像灯塔一样，规律地扫过地球，非常稳定。如果快速射电暴也是由这样的天体发射出来的，那么能否看到规律出现的快速射电暴信号呢？非常遗憾地是，在过往的诸多研究中，寻找快速射电暴在毫秒到秒量级的周期的所有努力都失败了。这就要求我们重新考虑快速射电暴的发射方式。

天体也存在不可预测、看似混乱的能量释放过程，例如星震和地震。致密天体，特别是具有极端磁场的磁星，其星震被认为是快速射电暴的可能触发机制。地震混乱不可预测，但是并非完全随机。在一次非常强的地震事件发生后，常常会伴随着更多的相对弱小的余震。这说明地震发生的时间和能量是有关联的，不是完全随机的。以往进行的周期搜索无法揭示时间和能量这两个基础物理参数间的关联。

一个随机事件，比如抛硬币，其不可预测性稳定持续的。我们无法根据当前抛出的正反面来预测下次，或者下下次的结果。相对应的，一个混沌系统，例如气候，看起来混乱如随机过程，但它的不可预测性是随时间增长的。抬头看天就可以预言下一秒的天气。但是全人类最好的预报系统也难以精确预言几周、几月后的天气。时间越长，不准确性越高是混沌系统的特征。

针对中国天眼FAST的丰富数据，中国科学院国家天文台李菂研究员带领团队提出了一种全新分析构架“Pincus-Lyaponov相图”，得以量化爆发事件的随机性和混沌性，揭示了快速射电暴的时间-能量表现与地震和太阳耀斑等存在本质区别，这种差异挑战了快速射电暴的星震起源。

基于全新的相图，团队发现快速射电暴在时间-能量二元空间上游走接近所谓的布朗运动，也就是表现出了高度的随机性。而同样不可预测的地震、太阳耀斑等却表现出远为显著的混沌性。快速射电暴的高度随机性可能由多种机制或者多个发射位置组合形成。杂志同期发表了快速射电暴领域理论专家美国内华达大学张冰教授的点评文章，称“这一创新方法促使理论家深入思考爆发现象的物理机制，从而进一步应用于FAST的大数据集合将检验其揭示的物理规律的普适性。”

中国天眼FAST的强大观测能力结合创新的分析方法，能够深入刻画宇宙间的神秘爆发信号，有望最终揭示其起源。

下图是快速射电暴在磁星表面产生的一个艺术想象。圆锥形尖刺则代表快速射电暴的多次爆发。尖刺的大小不一，反映了爆发能量的差异。爆发之间通过绿色线段相连，形成了一条随机漫步的路径，这象征着快速射电暴爆发的随机性。

这一工作于北京时间2024年04月12日，在“中国科技期刊卓越行动计划 ”综合性领军期刊《Science Bulletin》上作为封面文章发表。