鹿鸟暴——源自微波炉的射电现象

□ 张 博

鹿鸟暴
——源自微波炉的射电现象

□ 张 博

要了解鹿鸟暴（Peryton）这种名称诡异的射电现象，就要从快速射电暴谈起，因为这两种现象不仅存在一些共同的特征，还有不少媒体在有意无意地将二者混为一谈。

快速射电暴是一类持续时标为毫秒级的射电瞬变事件，近来吸引了越来越多的研究者。2007年，邓肯•洛里默（Duncan Lorimer）等人在利用澳大利亚帕克斯射电望远镜（Parkes）的存档数据搜索脉冲星时第一次无意间发现了这种新现象，但直到201 3年其他研究者发现并总结了更多类似的样本之后，它们的存在才得到公认。一般说来，快速射电暴拥有单峰式光变曲线，且其不同频段的信号抵达射电望远镜的时间存在差别，也就是各波段信号传播速度不同，具有色散特性。由于星系际冷等离子体介质会导致射电波的色散，让低频成分的传播速度减慢，若将观测到的时间差归结为星系际介质的作用，可以由此反推出辐射源的距离，时间差越长则距离越远。对快速射电暴的色散分析表明，它们很可能是起源于河外的。现有的快速射电暴模型大部分会涉及中子星，如磁星的射电爆发、超重中子星坍缩形成黑洞、双中子星并合期间磁层的相互作用等，也有原初黑洞的蒸发、双白矮星并合等其他理论被提出。当然，由于导致射电信号出现色散的原因很多，大色散量未必是星系际起因所致，也有学者认为它可能是河内现象，比如耀星之类。

快速射电暴的光变曲线示例，上为FR B 110220，下为FR B 110627

在现象上与快速射电暴相近的是更为奇特的鹿鸟暴，伴随着前者的发现和确认，更早发现的后者一度激起了研究者的兴趣。它同样是单峰式短时标现象（只是比快速射电暴更长，在全波段的特征时标是250毫秒），也同样分布于全天各处。而且更重要的是，鹿鸟暴还在1.4 GHz的观测频段上具备扫频特征，类似于穿过星系际介质发生色散的天文信号。实际上如果将这种扫频归结为星系际色散的话，一部分鹿鸟暴的色散量与第一个快速射电暴——FRB 010724是相当的，而后者有着375秒差距/立方厘米的色散，一般认为起源于比小麦哲伦云更远的深空。但必须指出的是，鹿鸟暴的扫频行为与星系际介质导致的色散并非严格相符，而且还存在古怪的色散双模分布，也就是说色散量集中在两个数值上，分别是200秒差距/立方厘米以及与FRB 010724接近的400秒差距/立方厘米左右。是说这类现象只出现在两种距离上？还是说这种“色散”其实另有隐情？研究者莫衷一是。

与快速射电暴一样，鹿鸟暴的观测也主要来自澳大利亚的帕克斯射电望远镜。除了色散量的双模分布，更加奇特的是，所有记录在案的鹿鸟暴只集中在平日的工作时间发生，周末出现的则寥寥无几。这一特点让很多人怀疑，鹿鸟暴可能压根就是来自人造信号源的射电干扰，何况它们很宽的分布天区也与来自地球大气之内的事件不矛盾，只是具体起源还有所争议。最近来自澳大利亚斯威本科技大学（Swinburne University of Technology）的艾米莉•彼得罗夫（Emily Petroff）等人通过详尽的分析和测试，得出了一个令人喷饭的结论：帕克斯射电望远镜台址处某几台微波炉的使用导致了这种新现象的产生。幸运的是，快速射电暴这次还算是经受住了考验，它们应该与人类活动无关，看上去仍旧来自河外，也还是值得继续探讨的。这里必须指出的是，快速射电暴绝不能与鹿鸟暴混为一谈，更不是某些媒体最近所宣称的“骗局”。

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何为鹿鸟？这是一种存在于传说中的奇特生物，据说居于大西洋海域，有着鹿头、鹿角和鹿的四肢，又像飞鸟一样拥有双翼和羽毛。更加奇特的是，鹿鸟投下的影子并非自身形态，而是人影，古人由此认为它们源自远离家乡的旅人灵魂，已被自己的神明所抛弃。根据传说，古时曾有埃勒斯雷（Erythrae）城的女先知预言，古罗马帝国最终将毁于鹿鸟之手；罗马统帅西庇阿（Scipio）在率军出征迦太基时，船队号称也因鹿鸟的侵袭而差点葬身海底。但是关于这些故事的原始记载早已毁于一旦，细节已是无从考证，“鹿鸟”也从人们的语言中淡出。直到现代阿根廷作家博尔赫斯在其《想象中的生物之书》中介绍了它，这个词才算是没有彻底销声匿迹。由于鹿鸟暴在现象上很是奇特，又一度来源不明，于是研究者选用这种诡异的生物为其命名。

艺术家笔下的鹿鸟

彼得罗夫等人首先研究了今年1月在执行脉冲星与河外射电暴巡天（SUPERB）以及PULSE@Parkes公众射电瞬变信号搜索项目期间新发现的3次鹿鸟暴事件，它们都是用帕克斯射电望远镜实时观测到的。除了在1.4 GHz的观测频率上进行及时的辨认之外，他们还使用同一设备以及距离帕克斯天文台400千米的澳大利亚望远镜致密阵（ATCA）在更宽的频段上进行了监测，其中的最后一个事件更有印度巨型米波射电望远镜的同期观测。这里需要补充的背景是，为何针对鹿鸟暴的多台站、多频段交叉证认直到今年才得以进行？这是因为201 4年1 2月，帕克斯射电望远镜安装了与ATCA相同的射电频段干扰监视系统，可以在402 MHz到3 GHz的频段上每10秒钟记录一次低分辨率射电频谱，而监视仪本身每12分钟可以在方位角方向上360度扫描一次，因此现在这两架设备都有能力时刻关注射电信号出现之时望远镜周围的辐射环境，所以也就能够更准确地判定鹿鸟暴的真身了。

分别发生在2015年1月19日、22日与23日的3次鹿鸟暴事件的光变曲线（上）和时间-频率图（下）

新发现的3次鹿鸟暴都是在工作日出现的，分别是1月19日（周一）、22日（周四）与23日（周五）。它们都比较明亮，在帕克斯射电望远镜全部的13个馈源中都清晰可见，而且都具备相当大的色散，只是与星系际介质色散的特性略有偏离。这几个鹿鸟暴都具备宽频辐射，且在高频更为明亮。频谱和色散量的彼此接近说明，它们可能是源自同一距离上的，也许还是可重复的事件。

吊装中的帕克斯射电望远镜1 3馈源接收机系统，其下方可见呈六角形分布的1 3台馈源

“在13个馈源中都清晰可见”这句话要如何理解？这里要就涉及一点仪器方面的背景知识了。传统的射电望远镜都是单馈源（馈源相当于大型射电天线的接收元件）结构，一个馈源的视场非常狭窄，每次只能观测很小一片天区。如果针对点源观测倒也罢了，但倘或进行展源的成像观测，就只能逐步扫描了，非常麻烦。因此用这样的设备进行大天区巡天或者新天体搜索，工作量与需要的时间将是极其惊人的。为了解决这一问题，20世纪90年代，研究者发明了多馈源接收机（实际上帕克斯射电望远镜正是应用这种新式接收机的先驱），设计上让每台馈源都略略偏离望远镜轴心，这样就可以用一台接收机同时观测若干邻近天区了，大大提高了效率。如果一个辐射源的信号出现在望远镜的全部或大多数馈源中，可以认为它是弥漫源，具备一定的展宽；而如果只被一个或少数几个馈源接收到，就可以认为它是点源了。

同时帕克斯射电望远镜的射电频段干扰监视仪在2.3到2.5 GHz的频段上观测到了伴随所有这3个鹿鸟暴的辐射，这说明1.4 GHz与2.4 GHz频段上的现象是成协的。不同的是，后者持续时标较长，达到了几十秒，而3个1.4 GHz的信号都只有18.5毫秒的持续时标。作为对比，ATCA阵列的监视仪只在第一次鹿鸟暴事件发生时看到了2.4 GHz辐射，而并没有与其他两次鹿鸟暴相对应的信号。这意味着第一次可能只是巧合而已。此外巨型米波射电望远镜在第三次鹿鸟暴期间也没有接收到任何信号。由于缺乏其他仪器的交叉证认，这些鹿鸟暴事件很有可能只是起源于帕克斯射电望远镜附近的，而非来自宇宙深空。

2015年1月的3次鹿鸟暴事件期间帕克斯射电望远镜（上）与ATC A（下）的射电频段干扰监视仪在2.3到2.5 G H z频段上的观测记录，图中最后一列是3月17日“羊毛打包房”测试期间的记录，其细节后文会谈到

需要特别说明的是，根据澳大利亚政府通信和媒体相关管理部门的规定，2.3到2.5 GHz是分配给固定通信和移动通信外加媒体广播的，工业、科研和医疗界都有工作在该频段上的设备，其中包括无处不在的无线网络以及微波炉等常见电器。鉴于鹿鸟暴只出现在工作日，又可能是来自帕克斯射电望远镜附近的现象，合乎逻辑的推断就是，它是望远镜台址周围某些电子设备的产物，由于设备工作期间遭遇了电涌、故障或人工操作等原因而偶然产生了1.4 GHz的短时标信号，而平时它们并不会发出低频辐射。对帕克斯射电望远镜射电频段干扰监视仪记录的分析也表明，平日2.3到2.5 GHz高频段确实存在数以百计的信号，而并无相伴的1.4 GHz的鹿鸟暴。更加有趣的是，这些高频信号集中出现在工作日的白天，大抵分布在当地时间上午9时到下午5时之间，又以午后为多，怎么看怎么跟午餐时间略有重叠……

这样看来，神秘的鹿鸟暴应该可以归结为天文台某些电器的影响了。按说射电望远镜台址附近的无线电辐射是受到严格管制的，前面提到的无线网络或其他移动通信设备当然属于重点关照对象，不大会带来什么未知现象。调查表明，最有可能的罪魁祸首就是帕克斯射电望远镜附近工作在2.4 GHz频率上且使用频繁的3台微波炉。实际上澳大利亚各大射电天文台在进行2.4 GHz观测期间，都要暂时停止微波炉的使用，其他国家也是大体这样要求，为的就是避免引入人为干扰。只是鹿鸟暴一开始表现为1.4 GHz的瞬变现象，极具欺骗性，如果没有射电频段干扰监视仪以及其他台站的帮助，它的真身还真不是那么好确定。

前述3台微波炉分别安置在射电望远镜下方的塔楼、游客中心以及俗名“羊毛打包房”的附属建筑中的员工厨房内，另外在天文台观测员宿舍区内还有两台，只是后者距离望远镜有1千米左右，不至于产生太大的影响。不过这里的问题是，平时只会发出2.4 GHz高频辐射的微波炉如何才能产生低频的鹿鸟暴信号？为了明确这一点，彼得罗夫等人组织进行了一系列的测试。首先在今年2月27日望远镜例行维护期间，附近的3台微波炉各以高低功率分别运转了10到60秒，加热一只装满水的瓷杯。此时望远镜直指天顶，13个馈源的记录仪全开。第一组测试是用塔楼中的微波炉进行的，记录仪居然探测到了一个色散量为345秒差距/立方厘米的鹿鸟暴。要知道塔楼的墙壁与窗户是做过完善的电磁屏蔽的，而且在望远镜主焦点处，天线也会阻挡朝向接收机的视线，因此这个事件很让人意外。后来发现，测试时“羊毛打包房”中的微波炉也在工作，它可能才是这次鹿鸟暴的来源。

2015年1月18日到3月12日期间帕克斯射电望远镜射电频段干扰监视仪记录下的2.3到2.5 G H z频段辐射尖峰信号时间分布的直方图

因此彼得罗夫等人在3月又安排了两次额外的测试。他们根据之前历次鹿鸟暴出现的方位，将望远镜分别对准了方位角130度，仰角65度附近的天区以及天顶附近，这两处是此类现象较为集中的区域。1 2日的测试没有看到任何鹿鸟暴，但1 7日微波炉的运转被炉门的提前开启而打断，于是望远镜看到了3个色散量在400秒差距/立方厘米左右的明亮鹿鸟暴，而这些鹿鸟暴发生的时间正对应打开炉门的时刻。后来使用游客中心微波炉进行的测试也证实了这一点，不过这次打开炉门时只有一半的概率能产生鹿鸟暴。对存档数据分析表明，所有大色散量的鹿鸟暴出现时，员工厨房的微波炉也出现在帕克斯射电望远镜的视场中；至于小色散量的那部分，就是游客中心与观测员宿舍区微波炉的贡献了。双模分布原来只是这样的……

另外一个值得注意的现象是1998年6月23日的鹿鸟暴簇群，16次事件在短短7分钟内，以22秒左右的间隔依次发生，相当于已知鹿鸟暴总量的三分之一以上。根据色散量，它们应该源自员工厨房。但如此高频且规律的鹿鸟暴不太会是人工开关炉门的结果，更可能是使用者将功率调低，让微波炉内的核心元件之一——磁控管的功率以22秒为周期发生变化所致，这台微波炉的维修手册与针对磁控管的实际测量也证实了这一点。只是由于炉门在微波炉工作期间的屏蔽作用，测试期间作者没能再现这种集簇现象。鉴于这台微波炉在随后的17年里运行稳定，将簇群归为电器故障也不大可能。相反，这更有可能是当时的使用者一时疏忽，用金属餐具或铝箔来盛放被加热的食品，减弱炉门屏蔽效果导致的。不过出于安全考虑，这一假设还没能得到测试。

由此，鹿鸟暴这种困扰了研究者将近20年的现象得到了解释。根据测试，微波炉的磁控管才是元凶。在微波炉工作尚未结束而炉门被提前打开之时，磁控管辐射能的余波在短时间内外泄，造成了望远镜所见的辐射峰。这不禁让人联想到数十年前法国上普罗旺斯天文台发生的“钾耀星”乌龙，因为观测者吸烟而导致拍下的恒星光谱中出现了不该具有的钾元素发射线，一度误导了恒星天文学家很久。不过鹿鸟暴真身浮出水面一事对学界的困扰其实较前者为小，因为好几年前它基本上就被归结为大气之内的现象了。根据彼得罗夫等人提供的信息，“羊毛打包房”员工厨房里的微波炉使用了2M210-M1型磁控管，至今仍可以买到，好事者不妨搞来做一下测试。虽然鹿鸟暴成因已定，但其扫频特征以及时间结构仍旧存在难以理解之处。只是有一点，磁控管属于高度非线性的电子元件，实际工作特性比较复杂，产生鹿鸟暴这样的现象并非不可能。

帕克斯射电望远镜外景，天线下方的塔楼中安置有一台微波炉。

对于天文学家来说，很重要的一个问题是：鹿鸟暴起源于人造信号，这个结论对新兴的快速射电暴研究有无影响？后者是否也属于人为导致？毕竟观测上这两种现象存在不少相似性。彼得罗夫等人的观点是，快速射电暴仍可以被认为是来自宇宙空间的。首先从发生时间上看，快速射电暴并不仅限于工作时间才会出现，而是更接近随机分布，其缺乏观测的时间段对应望远镜的维护而非休息日；同时它们（以及脉冲星之类不存在距离疑问的天体）的色散都严格遵循冷等离子体导致的色散定律，也并不存在莫名其妙的成团性。至于FRB 010724，除色散量和瞬变特征之外，它其实与鹿鸟暴不具备太多共性。而且这次大色散量快速射电暴所出现的天区不存在员工厨房微波炉干扰的可能性，发生时间又是当地的清晨，游客中心也尚未开门迎客，因此应该是货真价实的深空现象。更重要的是，鹿鸟暴大抵是被接收机的所有馈源同时观测到的，这可以解释为望远镜并不正对微波炉观测，只看到了弥漫的信号；而快速射电暴只出现在少数几个（FRB 010724是3个，其他色散更大的暴基本上是1个）馈源中，说明这是正对辐射源观测的结果，性质完全不同。

对于研究者而言，更加实际的问题是，在观测上如何能够将快速射电暴与鹿鸟暴准确区分开来？除了可以根据色散特征不同、接收机馈源记录数量不同之外，另一个重要途径是2.3到 2.5 GHz频段的协同观测，后者一定会伴有该频段上的同步信号，但前者不具备。其实最后一条是特别针对帕克斯天文台的，其他台站因为配备的微波炉品牌型号不同，这一点未必适用。但鉴于2M210-M1型磁控管应用广泛，别处也需要多多留神才是。不过考虑帕克斯射电望远镜是当代搜索快速射电暴最得力的仪器，所以要说留神，工作在这里的天文学家也应该首当其冲地留神。

鹿鸟暴（紫色）与快速射电暴（蓝色）发生时间（上）和色散（下）分布的直方图。可见快速射电暴无论是在时间，还是色散分布上，都较前者均匀得多

在天文学发展史上，貌似重要的发现最终被证明只是一文不值的例子有很多，鹿鸟暴不是第一次，也绝不会是最后一次。但是鹿鸟暴的起因虽然让人喷饭，认识它的过程却并非徒劳，因为研究者由此对难以回避的日常射电信号有了更深入的了解，进而可以在日后的观测中更好地排除干扰，让做出的天文发现更加令人信服。只是这样一来，试图统一鹿鸟暴与快速射电暴两种现象的努力算是泡了汤，某些天文学家这下子真的要欲哭无泪了