image: 天体表面的白色裂纹象征着星震活动，而从表面伸出的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。绿色的折线与星震裂纹之间没有直接联系，强调了快速射电暴与地震性质的不同。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
近日，《科学通报》杂志在线发表了中国科学院国家天文台FAST望远镜首席科学家李菂团队的研究成果：建立了一种全新方法刻画活跃快速射电暴在时间-能量相空间中的行为。
快速射电暴是宇宙在无线电频段最剧烈的爆发，持续仅千分之一秒的时间却释放足够驱动人类社会上万亿年的能量！快速射电暴的首次探测发生在2007年，这一现代射电天文学的重大进展荣获了2023年度邵逸夫天文学奖。至今起源未知、能量机制难解的快速射电暴是天文学中最极端、最神秘的现象之一，孕含了天文甚至物理重大突破的机遇。
因果关系要求快速射电暴源的尺度必须为d<cdt，其中c为光速，dt为快速射电暴持续时间。一个持续1毫秒的爆发其发射区域小于300km，很可能来自密度极高的致密天体，比如中子星或者黑洞。致密天体大多高速自旋，那么我们会期待爆发呈现某种周期性。然而，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。这要求我们需要重新考虑快速射电暴的发射方式。
中国科学院国家天文台李菂研究员带领团队发展了泛化的“Pincus指数”和“Lyapunov指数”来量化爆发事件序列的随机性和混沌性，从而促成了系统比较快速射电暴与其他常见宇宙瞬变现象，如脉冲星、地震、太阳耀斑。
随机现象和混沌现象都呈现不可预测性，但却拥有完全不同的原理，容易被混淆。一个随机序列的不可预测性是随时间稳定的，比如掷骰子，无论第几次，我们都无法根据现在的点数来预测到下一次的结果。与此不同的是在一个混沌系统中，不可预测性随时间的指数增长。比如天气预报，任何人都可以抬头看天，预报下一秒。但是全人类都不能精确预报长时间之后的天气，例如下一个月的。混沌现象时间间隔越长，不可预测性越高。
得益于FAST获取的爆发大样本及这一创新分析构架，李菂团队发现快速射电暴在时间-能量二元相空间上类似布朗运动般随机游走，与地震、太阳耀斑等现象明显不同。快速射电比这些现象远为随机，但是相对少有混沌。快速射电暴的显著随机性，揭示了其辐射可能是多种机制或者来自多个辐射区域。这一工作建立刻画快速射电暴底层物理特征的一个新框架，是理解这一神秘、剧烈宇宙爆发的重要进展。宇宙之手到底是如何掷出的这些爆裂骰子的呢？
研究详情请见原文：
Yong-Kun Zhang, Di Li, Yi Feng, Pei Wang, Chen-Hui Niu, Shi Dai, Ju-Mei Yao, Chao-Wei Tsai. The arrival time and energy of FRBs traverse the time-energy bivariate space like a Brownian motion. Science Bulletin 2024;69(8):1020-1026
https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.02.010
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Science Bulletin