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宇宙混沌与快速射电暴的线索

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对快速射电暴(FRB)的研究强调了它们极端的能量输出和神秘的性质。最近使用创新方法分析快速射电暴的研究表明,它们是由多种发射机制引起的,这增加了了解它们起源的复杂性。



快速射电暴代表了宇宙中最强烈的射电爆炸,在千分之一秒内释放出足够的能量,可以为全球人类社会提供一万亿年的电力。自2007年首次发现以来,快速射电暴引起了极大的关注,最终获得了2023年邵逸夫天文学奖。由于起源未知,这些极端的宇宙爆发是天文学和物理学中最神秘的现象之一。

因果关系决定了FRB源的大小应该小于c·dt,其中c是光速,dt是事件的持续时间。对于一个典型的1毫秒爆发,这意味着一个小于300公里的区域,这意味着中子星或黑洞等致密物体是快速射电暴的引擎。在大多数致密天体中都观察到快速自旋,这使人们对重复快速射电暴爆发的周期性产生了期望。然而,对从毫秒到秒尺度的周期性的广泛搜索都失败了,这促使了对FRB发射机制的重新评估。



上图中顶部和中间的面板呈现了这些来源的时间能量空间中的事件序列。颜色从蓝色变为红色,意味着增加了随机性。在底部面板中,快速射电暴与布朗运动一起聚集在随机性混沌相空间中的高度随机但不太混乱的区域,这与地震和太阳耀斑不同,两者都比FRB更混乱但不太随机。

由中国科学院国家天文台李迪教授领导的研究小组,引入了一种新的方法来表征快速射电暴在时间-能量二元相空间中的行为。他们分别使用广义的“平卡斯指数”和“李亚普诺夫指数”对随机性和混沌性进行量化,并设法将快速射电暴系统地置于脉冲星、地震和太阳耀斑等其他常见物理事件的背景下。

随机性和混沌都会导致不可预测性,但它们是不同的。随机序列的不可预测性随着时间的推移保持不变,就像掷骰子一样 —— 每次掷出的结果与前一次掷出的结果没有联系。在混沌系统中,不可预测性随着时间呈指数增长。例如,任何人都可以通过抬头和环顾四周来预测未来几秒钟的天气,而对人类来说,准确预测长期天气仍然是一个挑战。

研究小组发现,快速射电暴在能量-时间相位空间中漫游,与地震和太阳耀斑相比,混乱程度较低,但随机性较高。快速射电暴发射的明显随机性表明多种发射机制或地点的组合。这项研究建立了一个量化快速射电暴的新框架,使我们更接近于最终揭示这些剧烈宇宙爆炸的起源:谁在掷宇宙的骰子?

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