多信使天文學(xué)： 幫科學(xué)家由表及里“觀測(cè)”宇宙

12月4日，國(guó)外科學(xué)家公布了丹尼爾·井上太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡(DKIST)拍攝的第一張?zhí)?yáng)黑子照片，太陽(yáng)的細(xì)節(jié)正隨著觀測(cè)手段的進(jìn)步一點(diǎn)點(diǎn)被揭開(kāi)。

美麗的星空始終吸引著人類。從肉眼觀測(cè)到發(fā)射深空探測(cè)器，人類探測(cè)星空的手段在過(guò)去幾百年中發(fā)生了波瀾壯闊的變化。

望遠(yuǎn)鏡：觀測(cè)天體電磁波輻射

一開(kāi)始，人類用肉眼觀看天空，看到的只是太陽(yáng)、月球、水星、金星、火星、木星等一些距離足夠近的天體，以及一些星團(tuán)與少數(shù)銀河系外的星系。

1609年，伽利略將自己制造的望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)星空，看到了木星的4顆衛(wèi)星、土星的光環(huán)與銀河系內(nèi)的更多恒星。天文學(xué)從此進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)時(shí)代。此后，人類不斷制造出更多用以觀測(cè)來(lái)自太空可見(jiàn)光的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。借助這些光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，人類發(fā)現(xiàn)了天王星、海王星等行星，以及無(wú)數(shù)恒星、小行星和其他星系;此外，根據(jù)星系可見(jiàn)光的光譜特征與測(cè)定出的星系距離，天文學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了宇宙膨脹的證據(jù)。

另一方面，物理學(xué)家在19世紀(jì)建立起電磁學(xué)，證明我們熟悉的可見(jiàn)光只是一種特殊的電磁波。除了可見(jiàn)光之外，電磁波還包含伽馬射線、X射線、紫外線、紅外線、微波與射電波。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡只能觀測(cè)可見(jiàn)光，卻無(wú)法觀測(cè)其他電磁波。不過(guò)，人類制造出的伽馬射線望遠(yuǎn)鏡、X射線望遠(yuǎn)鏡、紫外線望遠(yuǎn)鏡、紅外線望遠(yuǎn)鏡、微波探測(cè)器、射電望遠(yuǎn)鏡等可以觀測(cè)宇宙中天體發(fā)出的對(duì)應(yīng)電磁波輻射，彌補(bǔ)了光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的不足。

這些望遠(yuǎn)鏡一起構(gòu)成了多波段天文觀測(cè)的有力工具，成為人類研究天體電磁波輻射的重要工具。比如，通過(guò)這些望遠(yuǎn)鏡，科學(xué)家可以觀測(cè)一些恒星爆炸后發(fā)出的強(qiáng)烈伽馬射線與X射線，一些星云在形成恒星過(guò)程中發(fā)出的大量紅外線，早期宇宙殘留的輻射(當(dāng)前已經(jīng)成為微波輻射)，以及一些星系、恒星與粒子發(fā)出的強(qiáng)烈射電輻射。

中微子與引力波：了解天體“內(nèi)心”活動(dòng)

雖然電磁波攜帶著天體的重要信息，但它容易被天體內(nèi)部物質(zhì)吸收。比如，太陽(yáng)發(fā)出的紫外線、可見(jiàn)光與紅外線是由太陽(yáng)內(nèi)部產(chǎn)生的伽馬射線轉(zhuǎn)變而來(lái)的，那些伽馬射線經(jīng)過(guò)幾十萬(wàn)年時(shí)間，才將能量從核心緩慢擴(kuò)散到表面，這就使得科學(xué)家觀測(cè)到的那些光與太陽(yáng)核心最初形成的伽馬射線完全不同。

因此，科學(xué)家很難通過(guò)觀測(cè)到的電磁波輻射，推測(cè)一些天體內(nèi)部產(chǎn)生的信息。所以，科學(xué)家使用中微子探測(cè)器與引力波探測(cè)器得到天體核心的一些信息。

中微子會(huì)在天體內(nèi)部的核反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生。例如，太陽(yáng)與恒星內(nèi)部的核聚變會(huì)產(chǎn)生大量中微子，大質(zhì)量恒星爆發(fā)為超新星的過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生大量中微子。這些中微子攜帶了這些天體核心的重要信息。由于中微子與普通物質(zhì)的相互作用非常微弱，它們?cè)趶奶祗w中心向外傳播的過(guò)程中，除了自身的振蕩之外，特性幾乎不會(huì)變化。

在過(guò)去幾十年中，人類不僅探測(cè)到太陽(yáng)發(fā)出的中微子與超新星發(fā)出的中微子，還探測(cè)到宇宙中一些粒子碰撞產(chǎn)生的能量超級(jí)高的中微子。無(wú)數(shù)中微子經(jīng)過(guò)巨大的中微子探測(cè)器時(shí)，僅有極少數(shù)被探測(cè)器捕獲，根據(jù)得到的信號(hào)特征，天文學(xué)家與物理學(xué)家可以計(jì)算出入射的中微子能量、方向等重要信息，從而獲得天體核心與宇宙中的一些重要物理過(guò)程的信息。由于中微子與物質(zhì)的作用非常微弱，人類當(dāng)前還只能探測(cè)比較近距離的天體或粒子發(fā)出的中微子。

引力波比中微子更難探測(cè)。根據(jù)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論，時(shí)間與空間構(gòu)成一個(gè)整體——時(shí)空;物質(zhì)使時(shí)空彎曲，時(shí)空的彎曲程度用“曲率”來(lái)表示;在一些現(xiàn)象中，物體會(huì)將時(shí)空的曲率向外傳播，產(chǎn)生時(shí)空的“漣漪”，它們就是引力波。

地球繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生引力波，但是這樣的引力波非常微弱。如果是兩個(gè)黑洞繞著共同的中心旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的引力波就會(huì)強(qiáng)得多。同理，黑洞—中子星系統(tǒng)與中子星—中子星系統(tǒng)在繞轉(zhuǎn)過(guò)程中也會(huì)發(fā)出引力波。這些系統(tǒng)發(fā)出的引力波的頻率與繞轉(zhuǎn)頻率有關(guān)。

隨著時(shí)間的流逝，這些系統(tǒng)不斷輻射引力波，損失能量，彼此不斷靠近，繞轉(zhuǎn)頻率不斷提高，發(fā)出引力波的頻率也不斷增高;最后，它們并合在一起，這個(gè)過(guò)程也會(huì)發(fā)出引力波，且并合之后的“整合”過(guò)程也會(huì)發(fā)出引力。以上三個(gè)過(guò)程分別被稱為“旋近”“并合”與“鈴宕”。

2015年，激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)探測(cè)到一例引力波。后續(xù)的計(jì)算分析表明，這次引力波由一對(duì)黑洞“旋近”“并合”與“鈴宕”過(guò)程先后發(fā)出的引力波構(gòu)成。這是人類首次直接探測(cè)到引力波，標(biāo)志著引力波天文學(xué)正式誕生。

除了上述的雙星系統(tǒng)之外，超新星爆發(fā)、超大質(zhì)量黑洞的旋近和并合等過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生引力波。引力波是時(shí)空自身曲率的傳播，可以在宇宙中自由傳播，雖然其強(qiáng)度會(huì)隨著距離的增大而變?nèi)?，但其攜帶的信息基本上不會(huì)在傳播過(guò)程中改變，因此它也是探測(cè)一些重要天體物理過(guò)程的有力工具。由于時(shí)空很難被“壓彎”，引力波的探測(cè)也很難，當(dāng)前引力波探測(cè)器也只能探測(cè)相對(duì)較近的引力波源。

宇宙線粒子：接近光速的“使者”

除了電磁波、中微子與引力波之外，人類還可以利用天體發(fā)出的宇宙線來(lái)研究對(duì)應(yīng)的天體。宇宙線是宇宙中的帶電粒子，大部分為質(zhì)子。這些帶電粒子在某些情況下被加速到接近光速，其中一小部分進(jìn)入地球大氣，碰撞大氣中的粒子，產(chǎn)生眾多新的粒子，科學(xué)家根據(jù)接收到的粒子來(lái)反推原始的宇宙線粒子。由于帶電粒子會(huì)在宇宙中的磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，科學(xué)家很難判斷發(fā)出宇宙線的天體位置，除非是來(lái)自太陽(yáng)和其他很近的天體的宇宙線。

電磁波、中微子、引力波與宇宙線都攜帶了天體的信息，因此都是天體派出的“信使”。如果某次研究中同時(shí)使用到它們中的2種、3種甚至4種，就是“多信使”研究。

過(guò)去幾十年，人類對(duì)太陽(yáng)的研究就是多信使研究。1987年，人類同時(shí)探測(cè)到一顆超新星發(fā)出的中微子與電磁波，是多信使天文學(xué)的一個(gè)重大進(jìn)展。2017年，人類首次探測(cè)到一對(duì)中子星并合發(fā)出的引力波與電磁波，這是首次有引力波參與的多信使研究。

在過(guò)去的幾百年，人類先是從肉眼觀測(cè)模式轉(zhuǎn)化為望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)模式，然后從可見(jiàn)光觀測(cè)模式擴(kuò)展到電磁波的多波段觀測(cè)模式;幾乎與此同時(shí)，人類開(kāi)始先后將電磁波觀測(cè)擴(kuò)展到宇宙線與中微子，最后在2015年將引力波這個(gè)“多信使天文學(xué)”的最后一塊拼圖拼出。

現(xiàn)在，人類正在建設(shè)更多更強(qiáng)大的各類望遠(yuǎn)鏡與探測(cè)器，探測(cè)各種電磁波、引力波、中微子與宇宙線，它們將在不遠(yuǎn)的將來(lái)大大推進(jìn)人類的多信使天文學(xué)。(王善欽)

關(guān)鍵詞： 科學(xué)家 宇宙