找尋來自銀河系外未知的電波脈衝起源— 台灣宇宙電波爆廣角監測實驗 (BURSTT)介紹

在夜空中無數的眾星靜靜地掛在天上，隨著地球運轉畫出週而復始的規律軌道，看起來彷如萬古不變。這些星體大多已存在超過億萬年，讓人類的壽命和歷史相形見絀。但現代天文學利用先進的望遠鏡們進行涵蓋整個電磁波頻譜的觀測後，發現到宇宙其實相當熱鬧，像有大大小小不間斷的煙火般，有許多在人類可感知的時間幅度、從數年、數天、到轉瞬之間發生變化的天體現象，稱為瞬變(transient)天體。當中有些瞬變事件爆發短暫而劇烈，讓我們得以發現宇宙最奇異且高能的天體存在。例如大質量恆星在生命結尾耗盡核融合燃料時塌縮造成的超新星爆炸，它的亮度可以超過擁有千億顆恆星的星系，爆炸的核反應過程是宇宙各種貴重金屬的主要來源。 1960年代發現了會規律發射無線電波脈衝的脈衝星(pulsar)，並了解它們是高速旋轉、由中子組成的緻密天體──中子星。另外有些X射線瞬變現象提供黑洞存在並撕裂和吸積周遭恆星和雲氣的證據，讓原本只存在於廣義相對論的理論中、即使光線也無法逃離的黑洞成為真實。觀測這些瞬變天體，不僅加深我們對宇宙和星體演化的認識，它們擁有的極端物理條件，如超高溫度、密度、強磁場、強重力，也可以試驗我們所了解的物理定律，擴展了人類對物質的認知與想像。

在2007年，天文學家偶然發現了一種新的瞬變現象：快速電波爆(Fast Radio Burst, 以下簡稱FRB；見圖一) [1]。FRB是為時僅有約千分之一秒的強烈無線電波脈衝，但在這瞬間釋放出的能量卻能與太陽在數天內發出的總能量相當 。脈衝是寬頻的訊號，目前在110-8000 MHz電波頻段都有觀測到FRB的紀錄。雖然至今16年來天文學家已探測到上千個FRB事件，但是對FRB的來源天體和特性等仍然知之甚少。目前關於FRB已知的資訊大概有幾點：
1. FRB的爆發源位在銀河系之外： 觀測上發現FRB事件們的來源方向近乎均勻隨機分布，不像是銀河系的星體大多集中在銀河盤面上。此外FRB的脈衝訊號有很明顯的「色散」現象(見圖一)：宇宙中瀰漫的雲氣大多是處於游離態的電漿，而在電漿中低頻無線電波的傳播速度比高頻電波來得慢，使得前者到達地球的時間比後者還晚(時間約反比於頻率的平方)，讓原本短暫的脈衝波在時間上「散」了開來。給定兩個頻率，高低頻間的時間差與從FRB來源到地球一路上的電漿總量成正比。結果發現，FRB事件們推算得到的電漿量，比銀河系內雲氣的貢獻要來得多，意味著FRB的電波脈衝應當源自銀河系外、穿越星系與星系之間的雲氣而來。目前只有一個FRB是例外：被確認是來自銀河系內有超強磁場的中子星(磁星, magnetar)。

圖一 ： 2007年由D. Lorimer團隊發現的第一個FRB的原始訊號 [1]。下方的圖是電波脈衝在頻率(縱軸)對時間(橫軸)的分佈，顏色明暗代表訊號強度(水平橫帶部分是受干擾而排除的頻段)，可以看到高頻和低頻訊號間的到達時間差，與電波穿越電漿導致的色散現象符合。從此時間差推算得知這個FRB應當來自銀河系外。上方的圖是修正色散並加總所有觀測頻率的訊號，顯示在FRB爆源的脈衝持續時間只有數毫秒(記錄後段的雜訊降低是脈衝太明亮造成觀測系統飽和所導致)。圖片來源：E. Petroff et al. [2]。

2. 目前已知約有50個FRB爆源會重複爆發：這代表至少有部分的FRB不是來自會造成星體毀滅的一次性事件(如超新星爆發)。但由於目前尚未有望遠鏡能全面而長期的監測所有過去發生的FRB源、所以仍不清楚其中會重複的比例有多少。
3. 只有約40個FRB事件(大多是會反覆爆發的FRB)有精確定位出來源天體的宿主星系。其他的事件由於望遠鏡的角解析度不足而無法辨認。

由於觀測的匱乏，目前學界雖有眾多的理論模型試圖解釋FRB的起源和爆發的機制，包括白矮星、中子星、黑洞、雙星合併、到假想的奇異天體都有，但仍莫衷一是。因此解開FRB的謎團成為近年天文學一個熱門的重要議題。

為何過了許多年，FRB的觀測仍然不足？ 這是因為世界上現有的大型電波望遠鏡，不是專為探測FRB而設計的。它們主要被設計來觀測宇宙中深遠而幽暗的天體，雖然非常靈敏但是視野狹窄(在100平方度以下)，難以有效率地作大範圍的巡天觀測。從這些望遠鏡得到的FRB事件發生率去推估，預期全天空每天會有約1000個FRB事件發生等待我們去發掘，但之前的大部分都被錯過了。窄視角的另一個缺點是無法長期追蹤監測大量的FRB源是否還會反覆爆發，造成難以由此對FRB的爆發機制作推斷 。這些望遠鏡的另外一個問題是單獨的定向FRB爆源的能力較差，角解析度不足以辨認FRB從哪個星系而來。再加上它們的靈敏度高，發現的大多是距離地球較遙遠而昏暗的FRB，這造成後續難以和其他望遠鏡偕同作觀測、用不同波段搜索對應的爆發源。結果是至今僅有前述的那個銀河系內的FRB在不同電磁波頻段有觀測到伴隨爆發的對應現象。因此克服觀測上的侷限是解開FRB謎團的當務之急。所以我們需要打造一個同時擁有廣視角和高解析度的無線電波望遠鏡。

台灣宇宙電波爆廣角監測實驗 (Bustling Universe Radio Survey Telescope in Taiwan，以下簡稱 BURSTT) 是中央研究院天文及天文物理所與國立臺灣大學、清華大學、中興大學、彰化師範大學等共同合作、為巡天觀測FRB量身打造的計畫 [3]。BURSTT擁有廣視角(約100度 x 100度範圍)，能隨時監測廣闊天區並高效地捕捉短暫的脈衝訊號 ，來快速累積FRB的觀測數量，提供給天文學家歸納出FRB的特性；它也擁有高角解析度(小於1角秒＝1/3600度)來精準定向FRB訊號來源，以便和其他波段的望遠鏡作偕同觀測，來研究FRB對應的來源天體以研究爆發機制。

為了要能精確定位出FRB來源所在的宿主星系、甚至找出其中的對應天體， BURSTT的角解析度至少需達到1角秒，是太陽和月亮的視直徑(約1/2度)的1800分之1。由於望遠鏡的角解析度約為觀測波長(觀測的中心頻率600 MHz對應的波長約為0.5公尺)除以最長的天線間距，BURSTT設計上會由一個規模較大的主要天線陣列(主站)，加上數個與主站相距100公里以上的周邊天線陣列(支站)組成。臺灣本島大小還有與外島的距離恰好符合條件。

圖二： 目前正建造測試中的BURSTT天線陣列：位於宜蘭福山植物園的16×16支天線的主站(左)、位於台灣北端富貴角(右上)和南投鹿谷(右下) 分別有16和16×4天線的支站。照片中的是接收天線和訊號放大及濾波器模組，它們接收的訊號會送到附近的數據擷取系統作即時處理。照片來源：李昭德、曾獻群、王士豪。

那麼天線站要建在哪裡好呢？理想站址的首要考量是人為產生的電波干擾要越低越好，但是台灣地狹人稠，干擾很難完全避免。比如BURSTT的觀測頻段和無線電視(500-600 MHz)與4G行動網路(700-800 MHz)使用的頻率有重疊、通訊基地台涵蓋也廣，這些帶來生活便利的電波訊號對電波天文學家來說反倒成為了「光害」。此外許多電子、電源、動力設備內部有開關電路或是會產生電弧 (如電燈、整流器、馬達等)，它們會反覆發出電波脈衝干擾觀測。因此少人居住的偏遠山谷地區中或是離島是可行的選擇，利用地形和距離來屏蔽和衰減人為干擾。但是選址另一方面也要顧及到便利性，如有無道路、電力、網路等基礎設施，以便建造、測試和後續維護。

考量上述幾點，我們在臺灣本島和外島挑選出數個候選站點並進行一系列實地探勘和電波背景雜訊量測後，決定在原始山林環繞的宜蘭福山植物園建造擁有256支天線的BURSTT主站(見圖二)，並將在今年夏季落成。在支站方面，目前已完成在台灣北端的富貴角架設16支天線 (距主站約60公里)、在南投鹿谷的台大實驗林架設64支天線(距主站約140公里)，還有正在架設中、預計今年夏季完成的綠島64支天線支站(距主站約230公里)。我們另外也正規畫在距離更遠的東沙島以及國外夏威夷、日本小笠原群島、印度和泰國等地建站，以將主、支站間的距離拉開到數千公里，再將BURSTT的角解析度提升至現有的10倍左右。

那麼BURSTT在設計上還有哪些考量和挑戰呢？一是室外的接收天線陣列和電子元件需有耐天候設計和處理，才能禁得住長年風吹日曬雨淋；二是電子設備需要能屏蔽電波干擾，不僅讓自身產生的雜訊干擾觀測，也不讓外界的電波干擾從天線以外的地方被接收。三是FRB的訊號轉瞬即逝，因此觀測系統要能夠高效率地即時辨認出色散的脈衝訊號 。這代表系統要運算處理大量的資料──擁有256支主天線站的資料流量約是每秒100 GB，這些資料得仰賴數個搭載射頻單晶片系統(Radio-Frequency System on Chip, RFSoC)的現場可程式邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)和高效能運算伺服器，將電波訊號數位化並轉換成頻譜、抑制雜訊干擾、調整相位差作將訊號合成、然後再自動判別是否有疑似FRB的脈衝訊號在其中。 因為儲存空間有限，只有當訊號符合某些觸發條件時，系統才會傳訊讓所有天線站一同將即時觀測資料儲存到硬碟裡，類似是道路上的測速照相，只有當偵測到車輛超速才會拍照。除此之外，因為BURSTT是利用電波脈衝到達不同天線的時間差，利用特長基線干涉 (Very Long Baseline Interferometry, VLBI)的技術來定出FRB訊號從何而來。為了達到精準定位，我們需要將主站和支站的觀測系統上的時間保持同步到0.1奈秒(10-10秒)左右的精準度，要如何達成和驗證此技術也是現階段開發的重點。

隨著天線站逐步落成，目前BURSTT已開始觀測天空中明亮的已知電波源如太陽、脈衝星、電波星系等，來逐步校正望遠鏡的性能。同時我們也在調整演算法來降低雜訊干擾來提高脈衝偵測的靈敏度 。如果計畫一切順利，BURSTT可望在今年偵測到它的首個FRB事件，並預期在接下來每年能偵測並定位約100個較近距離(距地球約5億光年內)的FRB事件。這些事件將直接將目前已定位的FRB數量翻倍！ 我們也正在和其他不同波段的望遠鏡洽談合作，在偵測到FRB後進行追蹤觀測，來更進一步了解爆發的源頭和發生機制。 期待不久的將來BURSTT穩定的事件累積和對應源的研究，能解答快速電波爆起源之謎。

參考文獻：

1. D. Lorimer et al., "A bright millisecond radio burst of extragalactic origin", Science 318(5851), 777-780 (2007), https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.1147532
2. E. Petroff, E., J. Hessels, and D. Lorimer, ”Fast radio bursts”, Astron. Astrophys. Rev. 27, 4 (2019), https://link.springer.com/article/10.1007/s00159-019-0116-6
3. H. Lin et al., "BURSTT: Bustling universe radio survey telescope in Taiwan", Publications of the Astronomical Society of the Pacific 134(1039), 094106 (2022), https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1538-3873/ac8f71
4. BURSTT計畫官網：https://www.burstt.org/