傾聽宇宙深處的吟唱 | F2科學(xué)峰會(huì)
圖片來(lái)自wired.com
撰文 | 張帆（北師大天文系副教授）
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隨著引力波被探測(cè)和證實(shí)，人類對(duì)天體物理的研究又多了新的手段。綜合電磁波、引力波、中微子、宇宙線等多種觀測(cè)手段相結(jié)合，可以幫助我們對(duì)宇宙有全新的認(rèn)知和了解。現(xiàn)在，我們不僅能夠“看到”、“嘗到”，也可以“聽到”宇宙給我們的信息。
浩瀚蒼穹之中，我們是不是唯一的生命。宇宙深處，又有多少秘密在等待我們?nèi)グl(fā)掘。宇宙起源是什么，我們又以什么樣的手段去了解自身所處的宇宙。這些問(wèn)題，都將在2018年未來(lái)科學(xué)大獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)典禮暨F2科學(xué)峰會(huì)“天體物理”專題討論會(huì)上得到答案。
引力波——宇宙的耳語(yǔ)
長(zhǎng)期以來(lái)，天體物理的研究者們只能借助有限的觀測(cè)手段，來(lái)驗(yàn)證我們對(duì)于宇宙深處作用機(jī)制的理論猜想。相當(dāng)于我們只能“看到”宇宙深處發(fā)生了什么，是否與我們之前的設(shè)想是一致的。2015年末到2016年初，引力波探測(cè)的首次實(shí)現(xiàn)，則讓我們“聽到”了來(lái)自宇宙深處的吟唱，2017年8月17日的一個(gè)早上，隨著天空中劃過(guò)一道閃光，天文學(xué)的新時(shí)代來(lái)臨了。
2017年8月17日，人類第一次直接探測(cè)到雙子星合并產(chǎn)生的引力波。
這個(gè)被費(fèi)米伽瑪射線太空望遠(yuǎn)鏡捕捉到的伽馬射線的爆發(fā)來(lái)自宇宙中某處兩個(gè)中子星（當(dāng)大質(zhì)量恒星坍塌和死亡時(shí)形成的密度極高的天體）的合并。但伽馬射線并非此次合并形成的唯一信號(hào)。在費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡捕捉到這一信號(hào)的幾秒內(nèi)，合并形成的時(shí)空漣漪也在兩個(gè)設(shè)施——位于美國(guó)的引力波干涉天文臺(tái)（LIGO）和位于意大利的處女座天文臺(tái)（Virgo）之間產(chǎn)生了回蕩。根據(jù)引力波抵達(dá)的時(shí)間和強(qiáng)度，天文學(xué)家推測(cè)它們來(lái)自于距離地球1.3億光年的一個(gè)星系。
中微子——宇宙的味道
而由美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)資助的南極冰立方中微子天文臺(tái)（IceCube Neutrino Observatory，簡(jiǎn)稱為“冰立方”IceCube）的發(fā)現(xiàn)，則讓我們“嘗到”了宇宙中天體合并的味道。“冰立方”有5000多個(gè)深埋于地下的探測(cè)器，當(dāng)這些能夠自由穿越于星系之中、且能量很高的宇宙射線及粒子與南極冰雪中的原子發(fā)生碰撞時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生稍縱即逝的藍(lán)光閃爍，此時(shí)極度敏感的探測(cè)器便可記錄下這些閃光。然后探測(cè)器會(huì)通過(guò)對(duì)撞擊而生的關(guān)于閃光特征的記錄，鎖定這些閃光的運(yùn)行路徑，從而幫助科學(xué)家揭示出它們來(lái)自宇宙中的具體方位。
美國(guó)東部時(shí)間2017年9月22日下午4:54，一個(gè)中微子突然現(xiàn)身在地球南極，質(zhì)量近乎為零的它闖入了埋在南極冰蓋中的冰立方中微子天文臺(tái)的傳感器。這是個(gè)相當(dāng)罕見的中微子，攜帶的能量超過(guò)了100萬(wàn)億電子伏特，而地球上最強(qiáng)大的加速器，也只能讓粒子的能量達(dá)到這個(gè)數(shù)值的1/10。這個(gè)粒子被稱為IceCube-170922A。
冰立方通報(bào)4天后，雨燕X射線空間望遠(yuǎn)鏡（Swift Observatory）的科學(xué)家報(bào)告稱，他們觀測(cè)了IceCube-170922A的來(lái)源區(qū)域，找到了9個(gè)發(fā)射X射線的源。僅僅兩天以后，9月28日早上6:10，工作于γ波段的費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡報(bào)告，它在IceCube-170922A和雨燕望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的第二個(gè)X射線源所在的同一個(gè)位置觀測(cè)到了γ射線。協(xié)同其他觀測(cè)數(shù)據(jù)，天文學(xué)家推測(cè)這些信號(hào)來(lái)自同一個(gè)耀變體（blazar）。
多信使讓我們不再盲人摸象
這種多源協(xié)同的宇宙觀測(cè)可以在不同的理論機(jī)制上證實(shí)我們對(duì)宇宙深處諸如天體合并等事件的猜測(cè)，從而讓推動(dòng)我們的認(rèn)知達(dá)到一個(gè)新的水平。一旦實(shí)現(xiàn)，天文學(xué)就算是真正跨進(jìn)了多信使研究（即電磁波、引力波、中微子、宇宙線等多種觀測(cè)手段相結(jié)合的天文研究）的新時(shí)代。我們不僅能“看到”、“嘗到”，也能夠“聽到”宇宙深處傳來(lái)的低聲吟唱。
但此前要完全發(fā)揮引力波的工具作用客觀上一直存在著較大的困難，困難在于沒(méi)有相應(yīng)的電磁波觀測(cè)。雖然引力波探測(cè)常常能夠劍指天體核心，但天體最豐富的物理性質(zhì)包括它們的環(huán)境性質(zhì)仍然要通過(guò)電磁輻射表現(xiàn)出來(lái)。因此，只有實(shí)現(xiàn)了引力波和電磁波的雙劍合璧，兩者相互映照，才能為引力波源的天體性質(zhì)提供交叉限制并充分發(fā)揮引力波在天文學(xué)研究中的重要作用。這其中，電磁對(duì)應(yīng)體對(duì)于引力波而言，它還是一個(gè)定位神器，因?yàn)殡姶挪ㄐ盘?hào)往往具有比引力波信號(hào)好得多的空間分辨率。好比我們可以現(xiàn)在聽到天體合并所譜寫的樂(lè)曲，但是這個(gè)聲音過(guò)于模糊，最好還能看到歌詞，才能幫助我們更好的理解它。
北師大天文系副教授張帆給了形象的詮釋，以現(xiàn)在的觀測(cè)手段來(lái)說(shuō)，我們好比是在盲人摸象，每個(gè)人接觸到的，是同一個(gè)物體的不同方面。如果我們能夠?qū)崿F(xiàn)多信使天文研究，我們就可以對(duì)天體現(xiàn)象有了更全面更直觀的認(rèn)識(shí)，從而改變我們對(duì)這個(gè)事物的整體認(rèn)知。
除此以外，多信使的天文學(xué)研究可以幫助我們實(shí)現(xiàn)在地球上無(wú)法模擬的實(shí)驗(yàn)。一些如超強(qiáng)磁場(chǎng)、超高溫度的極端物理狀態(tài)，只有通過(guò)天文觀測(cè)，獲取多種數(shù)據(jù)，并結(jié)合在一起研究，才可以讓我們?cè)O(shè)想的理論模型在不斷修正的過(guò)程中趨于完善。
2018年未來(lái)科學(xué)大獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)典禮暨F2科學(xué)峰會(huì)即將啟幕，其中一個(gè)重要議題就是天體物理。眾多天體物理的研究者將聚集在一起，總結(jié)過(guò)去，探討現(xiàn)在，展望未來(lái)。跟隨這些科學(xué)家們，一起去學(xué)習(xí)宇宙的語(yǔ)言，傾聽來(lái)自宇宙深處的吟唱。
注：本文由未來(lái)論壇提供。
