多信使天文学

中国科学院国家天文台 钱磊

多信使天文学就是使用探测电磁波、引力波、中微子、宇宙线的两种或多种技术手段对天体进行观测的学科。虽然目前进行的多信使天文学观测还很有限，但我们已经看到了多信使天文学的快速发展及其增进我们对宇宙认识的潜力。多信使天文学时代已经到来了。

现代观测天文学的诞生

天文学是最古老的学科之一，已有的文字记录表明天文学已经有数千年的历史了。中国古代发展了很多天文仪器，如今在北京的古观象台还能看到它们的身影，但那时的天文学观测主要是依靠肉眼。

1608年，一位荷兰眼镜工匠偶然发现将两块透镜同时放到视线上可以看到远处的物体，由此发明了望远镜。一年之后的1609年，伽利略把望远镜指向夜空，第一次进行了天文观测（图1），标志着现代观测天文学诞生了。

图1：伽利略用望远镜观测木星卫星的笔记（来源：Wikipedia）

多波段天文观测的历程

自伽利略首次进行天文观测400年以来，天文观测技术不断进步，望远镜的口径不断增大。在很长一段时间里，天文学家使用的信使（探测媒介）只有可见光（波长大约在0.4微米到0.7微米之间的电磁波，属于人眼可见的可见光），而其它波段电磁波的探测技术出现较晚。可见光波段是大气窗口（大气透明的电磁波频段）之一。

除了可见光，另一个重要的大气窗口是射电（来自天体的无线电称为射电）波段（图2）。

图2：大气窗口是大气透明的电磁波频段，处于这些频段的电磁波可以传播到海拔较低的地方，而频率不在大气窗口内的电磁波只能在大气之外的空间中探测。一些红外波段也有一些大气窗口。尽管在这些大气窗口的电磁波不能达到海拔较低的地方，但可以在高山上进行观测（来源：Wikipedia）

20世纪物理学和工程技术的发展完全改变了观测天文学的面貌。20世纪30年代，美国工程师卡尔·央斯基开了射电天文学之先河，第一次探测到了来自太阳系之外的射电辐射（图3）。这是在战争中发展起来的雷达技术在战后被用于天文学观测，催生了20世纪60～70年代射电天文学中的四个重大发现：宇宙微波背景辐射、脉冲星、类星体和星际分子。

图3：卡尔·央斯基和他的天线。他用这台天线探测到了来自太阳系之外的射电辐射（来源：Wikimedia.org）

在接下来的几十年，航天技术的发展使得人类可以将望远镜放到地球大气之外。红外、紫外、X射线、伽马射线卫星（图4）相继发射，这使得在大气不透明的那些波段进行观测成为可能。人类第一次看到了来自宇宙深处的红外、紫外、X射线和伽马射线辐射。

图4：费米伽马射线卫星。这是一颗在太空中进行伽马射线波段观测的卫星（来源：NASA）

实现在多个波段对天体进行观测，使得我们对天体有了更全面的认识。在红外（波长比可见光长一些）和亚毫米波段（波长比毫米短一些）看到了可见光波段难以看到的分子云（图5）；在X射线波段看到了黑洞吸积物质的过程；在伽马射线频段发现了伽马射线暴。同时通过不同波段的观测研究了活动星系核，了解了星系中心大质量黑洞的活动规律。多个波段的观测极大地增强了天文学家获取宇宙天体信息的能力，然而天文学家所依赖的媒介还是电磁波。

图5：金牛座分子云的一部分。图中橙色条状天体是在亚毫米波段看到的分子云。在可见光波段看起来，分子云是暗的，遮蔽了背后的恒星

多信使天文观测——宇宙线

宇宙天体除了发出电磁波，还会发出其它一些粒子和波。物理学家在20世纪初就开始进行宇宙线的研究，其中一个重要的研究成果是发现了正电子（图6）。宇宙线大部分来自太阳，也有部分宇宙线来自太阳系外的宇宙深处。由于宇宙线的主要成分是带电粒子，受宇宙磁场的影响，这些粒子的运动轨迹偏离直线。这使得难以准确追踪来自宇宙深处的宇宙线的来源。但可以通过宇宙线从总体上研究宇宙中不同离子的相对含量。比如我国的暗物质探测卫星“悟空”已经测定了不同离子的相对含量。

图6：正电子的发现。带电粒子在磁场中会发生偏转，通过偏转量和偏转方向来对粒子种类进行鉴定。带电粒子这种在磁场中偏转的性质也使得确定宇宙线在天空中的来源方向变得十分困难（来源：Wikipedia）

多信使天文观测——中微子

和宇宙线不同，中微子是一种不带电的基本粒子，其运动轨迹不受磁场的影响。这种粒子非常高冷，它和其它粒子几乎没有相互作用，这使得中微子的探测非常困难。通常要把探测器做得很大，才能偶然捕捉到中微子和物质相互作用产生的信号。以往人类唯一能探测到的中微子源是太阳，但在1987年情况发生了变化。就是这一年，一颗银河系内的超新星爆发了，被日本、美国和俄罗斯的科学家一共探测到了27个来自这颗被称为SN1987A的超新星（图7）的中微子。与此同时，天文学家也在各个电磁波段对这颗超新星进行了观测。这是人类第一次观测到来自宇宙天体的非电磁波信使，也可以认为是人类的第一次多信使天文学观测。

图7：超新星1987A的遗迹的多波段合成图像（来源：Wikipedia）

然而，自1987年之后的30年间，再也没有发生这样的事件，直到2017年，建造在南极的一台中微子望远镜（冰立方，IceCube，图8），终于探测到一些来自宇宙深处的高能中微子，不过还难以确定这些高能中微子来源哪个天体。9月22日，冰立方探测到了一个称为Ice-Cube-170922A的高能中微子源（即发出高能中微子的天体）。根据这一消息，雨燕X射线卫星、费米伽马射线卫星对这个中微子来源的天区进行了观测，探测到了这个天体的X射线和伽马射线，随后一台可见光望远镜证实了这个天体是一个耀变体（blazar，图9）——超大质量黑洞吸积物质喷射出的喷流所形成的天体。随后射电望远镜阵列也证实了这些辐射确实来自这个耀变体的喷流。

图8：冰立方（IceCube）中微子天文台（来源：IceCube）

图9：耀变体是一种喷流朝向地球的活动星系核（艺术想象图）。星系中心的超大质量黑洞吸积物质，喷出喷流（来源：NASA）

多信使天文观测——引力波

相比中微子，引力波更为神秘。这种曾经只存在于爱因斯坦的广义相对论中的时空扰动，曾经被脉冲双星的观测所间接证实，并因此获得1993年诺贝尔物理学奖。

2015年，美国的两个激光干涉引力波天文台（LIGO，图10）终于直接探测到了来自两个黑洞合并的引力波。之后LIGO和意大利的引力波探测器Virgo又探测到了几个黑洞合并的引力波事件。由于黑洞不发出其它辐射，这几个事件当然也都没有探测到电磁对应体。然而电磁对应体可以更深入地研究引力波源的性质，世界上很多望远镜都花了不少时间观测这些源。

2017年迎来了一个黄金一般的引力波源，称为GW170817。这是两颗中子星并合产生的引力波源。引力波爆发后大约1.74秒，费米伽马射线卫星探测到了伽马射线暴。之后，世界上各个波段的望远镜争先恐后地对这个天体进行观测。对这个天体的观测一举解决了短伽马射线暴的来源以及宇宙中重元素如何产生等问题，也排除了一些试图替代广义相对论的引力理论。这是一次与引力波有关的多信使天文观测，加上前面提到的两次与中微子有关的多信使天文观测，我们人类已经进行了三次被公认的多信使天文观测。

图10：激光干涉引力波天文台（LIGO）（来源：LIGO）

图11：多信使天文学是使用电磁波、引力波、中微子、宇宙线等信使对宇宙进行观测的学科。交叉的区域表示多信使天文学。已经成功对三个天体进行多信使天文观测，即超新星SN 1987A、中微子源Ice-cube-170922和引力波源GW170817。此外也获得了多波段电磁波天图以及宇宙线天图。

总之，多信使天文学是使用电磁波、引力波、中微子、宇宙线等信使对宇宙进行观测的一门年轻的学科（图11）。多信使天文学时代已经到来，可以预计，未来我们会进行更多的多信使天文观测，我们对宇宙的认识也会越来越深入。