多信使天文學： 幫科學家由表及里“觀測”宇宙

12月4日，國外科學家公布了丹尼爾·井上太陽望遠鏡(DKIST)拍攝的第一張?zhí)柡谧诱掌?，太陽的細?jié)正隨著觀測手段的進步一點點被揭開。

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

望遠鏡：觀測天體電磁波輻射

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

1609年，伽利略將自己制造的望遠鏡對準星空，看到了木星的4顆衛(wèi)星、土星的光環(huán)與銀河系內的更多恒星。天文學從此進入望遠鏡觀測時代。此后，人類不斷制造出更多用以觀測來自太空可見光的光學望遠鏡。借助這些光學望遠鏡，人類發(fā)現了天王星、海王星等行星，以及無數恒星、小行星和其他星系;此外，根據星系可見光的光譜特征與測定出的星系距離，天文學家還發(fā)現了宇宙膨脹的證據。

另一方面，物理學家在19世紀建立起電磁學，證明我們熟悉的可見光只是一種特殊的電磁波。除了可見光之外，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。光學望遠鏡只能觀測可見光，卻無法觀測其他電磁波。不過，人類制造出的伽馬射線望遠鏡、X射線望遠鏡、紫外線望遠鏡、紅外線望遠鏡、微波探測器、射電望遠鏡等可以觀測宇宙中天體發(fā)出的對應電磁波輻射，彌補了光學望遠鏡的不足。

這些望遠鏡一起構成了多波段天文觀測的有力工具，成為人類研究天體電磁波輻射的重要工具。比如，通過這些望遠鏡，科學家可以觀測一些恒星爆炸后發(fā)出的強烈伽馬射線與X射線，一些星云在形成恒星過程中發(fā)出的大量紅外線，早期宇宙殘留的輻射(當前已經成為微波輻射)，以及一些星系、恒星與粒子發(fā)出的強烈射電輻射。

中微子與引力波：了解天體“內心”活動

雖然電磁波攜帶著天體的重要信息，但它容易被天體內部物質吸收。比如，太陽發(fā)出的紫外線、可見光與紅外線是由太陽內部產生的伽馬射線轉變而來的，那些伽馬射線經過幾十萬年時間，才將能量從核心緩慢擴散到表面，這就使得科學家觀測到的那些光與太陽核心最初形成的伽馬射線完全不同。

因此，科學家很難通過觀測到的電磁波輻射，推測一些天體內部產生的信息。所以，科學家使用中微子探測器與引力波探測器得到天體核心的一些信息。

中微子會在天體內部的核反應過程中產生。例如，太陽與恒星內部的核聚變會產生大量中微子，大質量恒星爆發(fā)為超新星的過程中也會產生大量中微子。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的相互作用非常微弱，它們在從天體中心向外傳播的過程中，除了自身的振蕩之外，特性幾乎不會變化。

在過去幾十年中，人類不僅探測到太陽發(fā)出的中微子與超新星發(fā)出的中微子，還探測到宇宙中一些粒子碰撞產生的能量超級高的中微子。無數中微子經過巨大的中微子探測器時，僅有極少數被探測器捕獲，根據得到的信號特征，天文學家與物理學家可以計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程的信息。由于中微子與物質的作用非常微弱，人類當前還只能探測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。根據愛因斯坦廣義相對論，時間與空間構成一個整體——時空;物質使時空彎曲，時空的彎曲程度用“曲率”來表示;在一些現象中，物體會將時空的曲率向外傳播，產生時空的“漣漪”，它們就是引力波。

地球繞太陽運動，就會產生引力波，但是這樣的引力波非常微弱。如果是兩個黑洞繞著共同的中心旋轉，產生的引力波就會強得多。同理，黑洞—中子星系統(tǒng)與中子星—中子星系統(tǒng)在繞轉過程中也會發(fā)出引力波。這些系統(tǒng)發(fā)出的引力波的頻率與繞轉頻率有關。

隨著時間的流逝，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，這個過程也會發(fā)出引力波，且并合之后的“整合”過程也會發(fā)出引力。以上三個過程分別被稱為“旋近”“并合”與“鈴宕”。

2015年，激光干涉引力波天文臺(LIGO)探測到一例引力波。后續(xù)的計算分析表明，這次引力波由一對黑洞“旋近”“并合”與“鈴宕”過程先后發(fā)出的引力波構成。這是人類首次直接探測到引力波，標志著引力波天文學正式誕生。

除了上述的雙星系統(tǒng)之外，超新星爆發(fā)、超大質量黑洞的旋近和并合等過程也會產生引力波。引力波是時空自身曲率的傳播，可以在宇宙中自由傳播，雖然其強度會隨著距離的增大而變弱，但其攜帶的信息基本上不會在傳播過程中改變，因此它也是探測一些重要天體物理過程的有力工具。由于時空很難被“壓彎”，引力波的探測也很難，當前引力波探測器也只能探測相對較近的引力波源。

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)出的宇宙線來研究對應的天體。宇宙線是宇宙中的帶電粒子，大部分為質子。這些帶電粒子在某些情況下被加速到接近光速，其中一小部分進入地球大氣，碰撞大氣中的粒子，產生眾多新的粒子，科學家根據接收到的粒子來反推原始的宇宙線粒子。由于帶電粒子會在宇宙中的磁場偏轉，科學家很難判斷發(fā)出宇宙線的天體位置，除非是來自太陽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使用到它們中的2種、3種甚至4種，就是“多信使”研究。

過去幾十年，人類對太陽的研究就是多信使研究。1987年，人類同時探測到一顆超新星發(fā)出的中微子與電磁波，是多信使天文學的一個重大進展。2017年，人類首次探測到一對中子星并合發(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。

在過去的幾百年，人類先是從肉眼觀測模式轉化為望遠鏡觀測模式，然后從可見光觀測模式擴展到電磁波的多波段觀測模式;幾乎與此同時，人類開始先后將電磁波觀測擴展到宇宙線與中微子，最后在2015年將引力波這個“多信使天文學”的最后一塊拼圖拼出。

現在，人類正在建設更多更強大的各類望遠鏡與探測器，探測各種電磁波、引力波、中微子與宇宙線，它們將在不遠的將來大大推進人類的多信使天文學。(王善欽)

關鍵詞： 科學家 宇宙