中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)?錢(qián)磊

多信使天文學(xué)就是使用探測(cè)電磁波茫负、引力波米同、中微子、宇宙線(xiàn)的兩種或多種技術(shù)手段對(duì)天體進(jìn)行觀測(cè)的學(xué)科映砖。雖然目前進(jìn)行的多信使天文學(xué)觀測(cè)還很有限间坐，但我們已經(jīng)看到了多信使天文學(xué)的快速發(fā)展及其增進(jìn)我們對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)的潛力。多信使天文學(xué)時(shí)代已經(jīng)到來(lái)了。

現(xiàn)代觀測(cè)天文學(xué)的誕生

天文學(xué)是最古老的學(xué)科之一眶诈，已有的文字記錄表明天文學(xué)已經(jīng)有數(shù)千年的歷史了涨醋。中國(guó)古代發(fā)展了很多天文儀器瓜饥，如今在北京的古觀象臺(tái)還能看到它們的身影逝撬，但那時(shí)的天文學(xué)觀測(cè)主要是依靠肉眼。

1608年乓土，一位荷蘭眼鏡工匠偶然發(fā)現(xiàn)將兩塊透鏡同時(shí)放到視線(xiàn)上可以看到遠(yuǎn)處的物體宪潮，由此發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡。一年之后的1609年趣苏，伽利略把望遠(yuǎn)鏡指向夜空狡相，第一次進(jìn)行了天文觀測(cè)（圖1），標(biāo)志著現(xiàn)代觀測(cè)天文學(xué)誕生了食磕。

圖1：伽利略用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)木星衛(wèi)星的筆記（來(lái)源：Wikipedia）

多波段天文觀測(cè)的歷程

自伽利略首次進(jìn)行天文觀測(cè)400年以來(lái)尽棕，天文觀測(cè)技術(shù)不斷進(jìn)步，望遠(yuǎn)鏡的口徑不斷增大彬伦。在很長(zhǎng)一段時(shí)間里滔悉，天文學(xué)家使用的信使（探測(cè)媒介）只有可見(jiàn)光（波長(zhǎng)大約在0.4微米到0.7微米之間的電磁波，屬于人眼可見(jiàn)的可見(jiàn)光）单绑，而其它波段電磁波的探測(cè)技術(shù)出現(xiàn)較晚回官。可見(jiàn)光波段是大氣窗口（大氣透明的電磁波頻段）之一搂橙。

除了可見(jiàn)光歉提，另一個(gè)重要的大氣窗口是射電（來(lái)自天體的無(wú)線(xiàn)電稱(chēng)為射電）波段（圖2）。

圖2：大氣窗口是大氣透明的電磁波頻段区转，處于這些頻段的電磁波可以傳播到海拔較低的地方苔巨，而頻率不在大氣窗口內(nèi)的電磁波只能在大氣之外的空間中探測(cè)。一些紅外波段也有一些大氣窗口废离。盡管在這些大氣窗口的電磁波不能達(dá)到海拔較低的地方侄泽，但可以在高山上進(jìn)行觀測(cè)（來(lái)源：Wikipedia）

20世紀(jì)物理學(xué)和工程技術(shù)的發(fā)展完全改變了觀測(cè)天文學(xué)的面貌。20世紀(jì)30年代厅缺，美國(guó)工程師卡爾·央斯基開(kāi)了射電天文學(xué)之先河蔬顾，第一次探測(cè)到了來(lái)自太陽(yáng)系之外的射電輻射（圖3）。這是在戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)展起來(lái)的雷達(dá)技術(shù)在戰(zhàn)后被用于天文學(xué)觀測(cè)湘捎，催生了20世紀(jì)60～70年代射電天文學(xué)中的四個(gè)重大發(fā)現(xiàn)：宇宙微波背景輻射诀豁、脈沖星、類(lèi)星體和星際分子窥妇。

圖3：卡爾·央斯基和他的天線(xiàn)舷胜。他用這臺(tái)天線(xiàn)探測(cè)到了來(lái)自太陽(yáng)系之外的射電輻射（來(lái)源：Wikimedia.org）

在接下來(lái)的幾十年，航天技術(shù)的發(fā)展使得人類(lèi)可以將望遠(yuǎn)鏡放到地球大氣之外。紅外烹骨、紫外翻伺、X射線(xiàn)、伽馬射線(xiàn)衛(wèi)星（圖4）相繼發(fā)射沮焕，這使得在大氣不透明的那些波段進(jìn)行觀測(cè)成為可能吨岭。人類(lèi)第一次看到了來(lái)自宇宙深處的紅外、紫外峦树、X射線(xiàn)和伽馬射線(xiàn)輻射辣辫。

圖4：費(fèi)米伽馬射線(xiàn)衛(wèi)星。這是一顆在太空中進(jìn)行伽馬射線(xiàn)波段觀測(cè)的衛(wèi)星（來(lái)源：NASA）

實(shí)現(xiàn)在多個(gè)波段對(duì)天體進(jìn)行觀測(cè)魁巩，使得我們對(duì)天體有了更全面的認(rèn)識(shí)急灭。在紅外（波長(zhǎng)比可見(jiàn)光長(zhǎng)一些）和亞毫米波段（波長(zhǎng)比毫米短一些）看到了可見(jiàn)光波段難以看到的分子云（圖5）；在X射線(xiàn)波段看到了黑洞吸積物質(zhì)的過(guò)程谷遂；在伽馬射線(xiàn)頻段發(fā)現(xiàn)了伽馬射線(xiàn)暴葬馋。同時(shí)通過(guò)不同波段的觀測(cè)研究了活動(dòng)星系核，了解了星系中心大質(zhì)量黑洞的活動(dòng)規(guī)律肾扰。多個(gè)波段的觀測(cè)極大地增強(qiáng)了天文學(xué)家獲取宇宙天體信息的能力畴嘶，然而天文學(xué)家所依賴(lài)的媒介還是電磁波。

圖5：金牛座分子云的一部分白对。圖中橙色條狀天體是在亞毫米波段看到的分子云掠廓。在可見(jiàn)光波段看起來(lái)，分子云是暗的甩恼，遮蔽了背后的恒星

多信使天文觀測(cè)——宇宙線(xiàn)

宇宙天體除了發(fā)出電磁波蟀瞧，還會(huì)發(fā)出其它一些粒子和波。物理學(xué)家在20世紀(jì)初就開(kāi)始進(jìn)行宇宙線(xiàn)的研究条摸，其中一個(gè)重要的研究成果是發(fā)現(xiàn)了正電子（圖6）悦污。宇宙線(xiàn)大部分來(lái)自太陽(yáng)，也有部分宇宙線(xiàn)來(lái)自太陽(yáng)系外的宇宙深處钉蒲。由于宇宙線(xiàn)的主要成分是帶電粒子切端，受宇宙磁場(chǎng)的影響，這些粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡偏離直線(xiàn)顷啼。這使得難以準(zhǔn)確追蹤來(lái)自宇宙深處的宇宙線(xiàn)的來(lái)源踏枣。但可以通過(guò)宇宙線(xiàn)從總體上研究宇宙中不同離子的相對(duì)含量。比如我國(guó)的暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星“悟空”已經(jīng)測(cè)定了不同離子的相對(duì)含量钙蒙。

圖6：正電子的發(fā)現(xiàn)茵瀑。帶電粒子在磁場(chǎng)中會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，通過(guò)偏轉(zhuǎn)量和偏轉(zhuǎn)方向來(lái)對(duì)粒子種類(lèi)進(jìn)行鑒定躬厌。帶電粒子這種在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的性質(zhì)也使得確定宇宙線(xiàn)在天空中的來(lái)源方向變得十分困難（來(lái)源：Wikipedia）

多信使天文觀測(cè)——中微子

和宇宙線(xiàn)不同马昨，中微子是一種不帶電的基本粒子，其運(yùn)動(dòng)軌跡不受磁場(chǎng)的影響。這種粒子非常高冷鸿捧，它和其它粒子幾乎沒(méi)有相互作用屹篓，這使得中微子的探測(cè)非常困難。通常要把探測(cè)器做得很大匙奴，才能偶然捕捉到中微子和物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的信號(hào)堆巧。以往人類(lèi)唯一能探測(cè)到的中微子源是太陽(yáng)，但在1987年情況發(fā)生了變化饥脑。就是這一年恳邀，一顆銀河系內(nèi)的超新星爆發(fā)了懦冰，被日本灶轰、美國(guó)和俄羅斯的科學(xué)家一共探測(cè)到了27個(gè)來(lái)自這顆被稱(chēng)為SN1987A的超新星（圖7）的中微子。與此同時(shí)刷钢，天文學(xué)家也在各個(gè)電磁波段對(duì)這顆超新星進(jìn)行了觀測(cè)笋颤。這是人類(lèi)第一次觀測(cè)到來(lái)自宇宙天體的非電磁波信使，也可以認(rèn)為是人類(lèi)的第一次多信使天文學(xué)觀測(cè)内地。

圖7：超新星1987A的遺跡的多波段合成圖像（來(lái)源：Wikipedia）

然而伴澄，自1987年之后的30年間，再也沒(méi)有發(fā)生這樣的事件阱缓，直到2017年非凌，建造在南極的一臺(tái)中微子望遠(yuǎn)鏡（冰立方，IceCube荆针，圖8）敞嗡，終于探測(cè)到一些來(lái)自宇宙深處的高能中微子，不過(guò)還難以確定這些高能中微子來(lái)源哪個(gè)天體航背。9月22日喉悴，冰立方探測(cè)到了一個(gè)稱(chēng)為Ice-Cube-170922A的高能中微子源（即發(fā)出高能中微子的天體）。根據(jù)這一消息玖媚，雨燕X射線(xiàn)衛(wèi)星箕肃、費(fèi)米伽馬射線(xiàn)衛(wèi)星對(duì)這個(gè)中微子來(lái)源的天區(qū)進(jìn)行了觀測(cè)，探測(cè)到了這個(gè)天體的X射線(xiàn)和伽馬射線(xiàn)今魔，隨后一臺(tái)可見(jiàn)光望遠(yuǎn)鏡證實(shí)了這個(gè)天體是一個(gè)耀變體（blazar勺像，圖9）——超大質(zhì)量黑洞吸積物質(zhì)噴射出的噴流所形成的天體。隨后射電望遠(yuǎn)鏡陣列也證實(shí)了這些輻射確實(shí)來(lái)自這個(gè)耀變體的噴流错森。

圖8：冰立方（IceCube）中微子天文臺(tái)（來(lái)源：IceCube）

圖9：耀變體是一種噴流朝向地球的活動(dòng)星系核（藝術(shù)想象圖）吟宦。星系中心的超大質(zhì)量黑洞吸積物質(zhì)，噴出噴流（來(lái)源：NASA）

多信使天文觀測(cè)——引力波

相比中微子问词，引力波更為神秘督函。這種曾經(jīng)只存在于愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論中的時(shí)空擾動(dòng)，曾經(jīng)被脈沖雙星的觀測(cè)所間接證實(shí)，并因此獲得1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)辰狡。

2015年锋叨，美國(guó)的兩個(gè)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO，圖10）終于直接探測(cè)到了來(lái)自?xún)蓚€(gè)黑洞合并的引力波宛篇。之后LIGO和意大利的引力波探測(cè)器Virgo又探測(cè)到了幾個(gè)黑洞合并的引力波事件娃磺。由于黑洞不發(fā)出其它輻射，這幾個(gè)事件當(dāng)然也都沒(méi)有探測(cè)到電磁對(duì)應(yīng)體叫倍。然而電磁對(duì)應(yīng)體可以更深入地研究引力波源的性質(zhì)偷卧，世界上很多望遠(yuǎn)鏡都花了不少時(shí)間觀測(cè)這些源。

2017年迎來(lái)了一個(gè)黃金一般的引力波源吆倦，稱(chēng)為GW170817听诸。這是兩顆中子星并合產(chǎn)生的引力波源。引力波爆發(fā)后大約1.74秒蚕泽，費(fèi)米伽馬射線(xiàn)衛(wèi)星探測(cè)到了伽馬射線(xiàn)暴晌梨。之后，世界上各個(gè)波段的望遠(yuǎn)鏡爭(zhēng)先恐后地對(duì)這個(gè)天體進(jìn)行觀測(cè)须妻。對(duì)這個(gè)天體的觀測(cè)一舉解決了短伽馬射線(xiàn)暴的來(lái)源以及宇宙中重元素如何產(chǎn)生等問(wèn)題仔蝌，也排除了一些試圖替代廣義相對(duì)論的引力理論。這是一次與引力波有關(guān)的多信使天文觀測(cè)荒吏，加上前面提到的兩次與中微子有關(guān)的多信使天文觀測(cè)敛惊，我們?nèi)祟?lèi)已經(jīng)進(jìn)行了三次被公認(rèn)的多信使天文觀測(cè)。

圖10：激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）（來(lái)源：LIGO）

圖11：多信使天文學(xué)是使用電磁波绰更、引力波瞧挤、中微子、宇宙線(xiàn)等信使對(duì)宇宙進(jìn)行觀測(cè)的學(xué)科动知。交叉的區(qū)域表示多信使天文學(xué)皿伺。已經(jīng)成功對(duì)三個(gè)天體進(jìn)行多信使天文觀測(cè)，即超新星SN 1987A盒粮、中微子源Ice-cube-170922和引力波源GW170817鸵鸥。此外也獲得了多波段電磁波天圖以及宇宙線(xiàn)天圖。

總之丹皱，多信使天文學(xué)是使用電磁波妒穴、引力波、中微子摊崭、宇宙線(xiàn)等信使對(duì)宇宙進(jìn)行觀測(cè)的一門(mén)年輕的學(xué)科（圖11）讼油。多信使天文學(xué)時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，可以預(yù)計(jì)呢簸，未來(lái)我們會(huì)進(jìn)行更多的多信使天文觀測(cè)矮台，我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)也會(huì)越來(lái)越深入乏屯。