最遙遠的快速電波爆發比地球還古老，距離紀錄翻倍

一道快速電波爆發——持續僅千分之幾秒的無線電波閃光——在宇宙約三十億歲時離開其源頭，歷經超過一百億年後抵達南非的一座望遠鏡。這是迄今為止被追溯至宿主星系的最遙遠快速電波爆發，距離是先前紀錄保持者的兩倍以上。這道閃光出發時，地球還要再過五十多億年才會形成。

驚喜來自詹姆斯·韋伯太空望遠鏡發現了它的來源。天文學家原本預期會是一個巨大、成熟的星系。結果源頭卻是一個暗淡的矮星系，質量大約只有團隊預期的千分之一，而且似乎是在一次短暫而劇烈的爆發中形成了大部分恆星。這個小而年輕的宿主，如今成為解釋這些閃光成因最有力的線索之一。

數千道快速電波爆發已被偵測到，但只有大約一百道被定位到特定星系，而且幾乎所有這些星系都離我們相對較近。這道新爆發，編號為FRB 20240304B，將這張地圖推進到宇宙歷史上恆星形成最活躍的時期。

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「快速電波爆發之所以有趣，是因為我們不知道是什麼產生了它們，」雪梨大學的曼妮莎·凱勒布（Manisha Caleb）說，她領導了這項研究。「我們有理論推測是什麼天體產生的，但我們沒有確鑿的證據。」

一座無線電天線與韋伯如何找到一個沒人能看見的星系

這道爆發是由MeerKAT捕捉到的，這是一個位於南非卡魯地區、由64座無線電天線組成的陣列。由曼徹斯特大學的班·斯塔珀斯（Ben Stappers）領導的搜尋系統MeerTRAP，即時掃描其數據以尋找單一明亮脈衝。這道爆發的強度超過背景噪聲一百倍以上，陣列將其位置鎖定到獅子座內的一個角秒分數。

距離的第一個線索來自訊號本身。無線電波穿過星系間的稀薄氣體時會稍微減速，低頻減速更多，因此爆發抵達時呈現從高頻到低頻的掃掠。天文學家將這種延遲的大小稱為色散量。對這道爆發而言，色散量約為2,458單位，遠高於大多數已知爆發，顯示訊號穿過了極其巨大的氣體柱。

這個數字只能給出粗略距離。要得到真實距離，需要宿主星系及其光譜，而檔案中的巡天觀測在該位置一無所獲。夏威夷的凱克一號望遠鏡進行了一小時的深場成像，亞利桑那州的MMT天文台的紅外影像也同樣沒有結果。這個星系太暗淡，連最大的地面望遠鏡也無法觀測。

因此團隊申請了韋伯的觀測時間。其近紅外相機在爆發位置約0.3角秒處捕捉到一個28等星等的模糊光點，一項統計檢定顯示有97.5%的機率爆發來自該星系。韋伯的近紅外光譜儀隨後捕捉到星系中發光的氫和氧的光，這些光因宇宙膨脹而被拉伸至紅移2.148。這將爆發置於天文學家稱為「宇宙正午」的時期，當時星系的恆星形成速率比之前或之後的任何時期都要快。

這項紀錄在數字上的意義

先前的紀錄保持者，由澳洲ASKAP望遠鏡捕捉到的一道爆發，紅移約為1.016，其光行進了大約八十億年。新爆發的紅移是它的兩倍以上。論文中寫道，該訊號「探測了約占宇宙歷史80%的游離氣體。」

能量位於此類事件觀測範圍的頂端。《天空與望遠鏡》雜誌用熟悉的說法描述：比太陽一年釋放的能量還多，壓縮在比眨眼還短的閃光中。

宿主星系是最奇怪的部分。團隊的估計將其恆星質量定在約一千萬倍太陽質量，僅為銀河系恆星的極小部分。其氣體中比氦重的元素含量只有太陽的10%到20%，而且它形成恆星的速度遠比同等大小的星系正常情況要快。研究人員估計，其大部分恆星可能是在約三千萬年內形成的。

「我們原本以為會是一個巨大、形狀良好的星系，擁有大量恆星，」凱勒布說。斯塔珀斯更直接：「這個宿主在我們擁有的整個星系樣本中顯得格格不入。而且它完全不是我們預期的樣子。」

為什麼一個小而年輕的星系指向一個元兇

兩種主要解釋對爆發應出現的位置做出了不同預測。一種認為它們來自磁星——中子星，其磁場比地球上最強的磁鐵強數十億倍，在大質量恆星塌縮時誕生。這些磁星在形成它們的恆星出現後幾百萬年內形成。另一種認為有些爆發來自中子星碰撞，這可能需要數十億年才能螺旋靠近，因此往往發生在較老的星系中。

一個在幾千萬年內就構建完成的星系，幾乎沒有空間留給緩慢的選項。「我們的研究表明，這道FRB極不可能由合併產生，」凱勒布說。貧金屬的氣體也傾向於產生更多極大質量恆星，而這些正是會留下磁星的類型。在我們自己的星系中，磁星SGR J1935+2154已經產生了同類的微弱爆發。

訊號也攜帶了它所穿過的一切的紀錄。它的路徑穿過室女座星系團——距離約五千四百萬光年的巨大星系群——並靠近一個先前未知的星系群，紅移0.31，距離我們約三十五億光年。團隊估計這兩個結構造成了訊號中大部分的額外延遲。

它沒有解決的問題

一道爆發只是一個數據點。磁星關聯是對這個宿主星系最自然的解讀，但研究人員強調這不是證據，也不代表每一道快速電波爆發都有相同起源。

這個星系的性質存在很大的誤差範圍。它的質量、金屬含量和恆星形成歷史都是根據幾張韋伯影像和一個處於偵測極限的天體的光譜所做的模型估計。極少數如此暗淡的爆發宿主曾在任何距離上被研究過，因此很難說這個星系是異常的，還是只是早期巡天遺漏的第一個同類。

團隊認為這項發現並非偶然。MeerKAT是目前唯一靈敏到足以看到這麼遠的爆發搜尋儀器，他們預測其主要巡天中約有6.3%的爆發應來自紅移2以上。只有更多偵測才能檢驗這一點。「每一個大收藏都是從一個標本開始的，」荷蘭無線電天文學研究所的約里·范·李文（Joeri van Leeuwen）說，他並未參與這項工作。

關於最遙遠快速電波爆發的常見問題

什麼是快速電波爆發？

快速電波爆發是一種持續幾毫秒的無線電波閃光，在最亮的情況下可攜帶相當於太陽一年釋放的能量。第一個於2007年被發現。其來源仍有爭議。

最遙遠的快速電波爆發有多遠？

FRB 20240304B的紅移為2.148。其訊號行進了超過一百億年，在宇宙約三十億歲時離開其星系。這比先前紀錄保持者的紅移高出一倍以上。

磁星會造成快速電波爆發嗎？

磁星是最受支持的解釋，而這個年輕、正在形成恆星的宿主強化了這個論點。但沒有研究證明每一道爆發都來自磁星，而這項結果的研究人員表示目前尚無確鑿證據。

接下來會怎樣

這道爆發於2024年3月4日被偵測到，2025年7月在蒙特婁的一場會議上首次發表，並於2026年10月8日發表在《科學》期刊上。團隊估計MeerKAT每年可以發現並定位數道來自超過大爆炸一半距離的爆發，並需要韋伯來辨識其暗淡的宿主星系。目前正在南非建造的平方千米陣列中頻望遠鏡，預計將進一步推進這項搜尋。斯塔珀斯明確設定了目標：「下一步是將這個前沿推得更遠，看看我們能多接近第一代恆星。」

參考文獻：Caleb et al., “A fast radio burst at redshift 2, three billion years after the Big Bang,” Science, 2026. DOI: 10.1126/science.adz2675

標籤: 天文學, James Webb Space Telescope, MeerKAT, 磁星, FRB 20240304B, 快速電波爆發

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