多信使天文学： 帮科学家由表及里“观测”宇宙

12月4日，国外科学家公布了丹尼尔·井上太阳望远镜(DKIST)拍摄的第一张太阳黑子照片，太阳的细节正随着观测手段的进步一点点被揭开。

美丽的星空始终吸引着人类。从肉眼观测到发射深空探测器，人类探测星空的手段在过去几百年中发生了波澜壮阔的变化。

望远镜：观测天体电磁波辐射

一开始，人类用肉眼观看天空，看到的只是太阳、月球、水星、金星、火星、木星等一些距离足够近的天体，以及一些星团与少数银河系外的星系。

1609年，伽利略将自己制造的望远镜对准星空，看到了木星的4颗卫星、土星的光环与银河系内的更多恒星。天文学从此进入望远镜观测时代。此后，人类不断制造出更多用以观测来自太空可见光的光学望远镜。借助这些光学望远镜，人类发现了天王星、海王星等行星，以及无数恒星、小行星和其他星系;此外，根据星系可见光的光谱特征与测定出的星系距离，天文学家还发现了宇宙膨胀的证据。

另一方面，物理学家在19世纪建立起电磁学，证明我们熟悉的可见光只是一种特殊的电磁波。除了可见光之外，电磁波还包含伽马射线、X射线、紫外线、红外线、微波与射电波。光学望远镜只能观测可见光，却无法观测其他电磁波。不过，人类制造出的伽马射线望远镜、X射线望远镜、紫外线望远镜、红外线望远镜、微波探测器、射电望远镜等可以观测宇宙中天体发出的对应电磁波辐射，弥补了光学望远镜的不足。

这些望远镜一起构成了多波段天文观测的有力工具，成为人类研究天体电磁波辐射的重要工具。比如，通过这些望远镜，科学家可以观测一些恒星爆炸后发出的强烈伽马射线与X射线，一些星云在形成恒星过程中发出的大量红外线，早期宇宙残留的辐射(当前已经成为微波辐射)，以及一些星系、恒星与粒子发出的强烈射电辐射。

中微子与引力波：了解天体“内心”活动

虽然电磁波携带着天体的重要信息，但它容易被天体内部物质吸收。比如，太阳发出的紫外线、可见光与红外线是由太阳内部产生的伽马射线转变而来的，那些伽马射线经过几十万年时间，才将能量从核心缓慢扩散到表面，这就使得科学家观测到的那些光与太阳核心最初形成的伽马射线完全不同。

因此，科学家很难通过观测到的电磁波辐射，推测一些天体内部产生的信息。所以，科学家使用中微子探测器与引力波探测器得到天体核心的一些信息。

中微子会在天体内部的核反应过程中产生。例如，太阳与恒星内部的核聚变会产生大量中微子，大质量恒星爆发为超新星的过程中也会产生大量中微子。这些中微子携带了这些天体核心的重要信息。由于中微子与普通物质的相互作用非常微弱，它们在从天体中心向外传播的过程中，除了自身的振荡之外，特性几乎不会变化。

在过去几十年中，人类不仅探测到太阳发出的中微子与超新星发出的中微子，还探测到宇宙中一些粒子碰撞产生的能量超级高的中微子。无数中微子经过巨大的中微子探测器时，仅有极少数被探测器捕获，根据得到的信号特征，天文学家与物理学家可以计算出入射的中微子能量、方向等重要信息，从而获得天体核心与宇宙中的一些重要物理过程的信息。由于中微子与物质的作用非常微弱，人类当前还只能探测比较近距离的天体或粒子发出的中微子。

引力波比中微子更难探测。根据爱因斯坦广义相对论，时间与空间构成一个整体——时空;物质使时空弯曲，时空的弯曲程度用“曲率”来表示;在一些现象中，物体会将时空的曲率向外传播，产生时空的“涟漪”，它们就是引力波。

地球绕太阳运动，就会产生引力波，但是这样的引力波非常微弱。如果是两个黑洞绕着共同的中心旋转，产生的引力波就会强得多。同理，黑洞—中子星系统与中子星—中子星系统在绕转过程中也会发出引力波。这些系统发出的引力波的频率与绕转频率有关。

随着时间的流逝，这些系统不断辐射引力波，损失能量，彼此不断靠近，绕转频率不断提高，发出引力波的频率也不断增高;最后，它们并合在一起，这个过程也会发出引力波，且并合之后的“整合”过程也会发出引力。以上三个过程分别被称为“旋近”“并合”与“铃宕”。

2015年，激光干涉引力波天文台(LIGO)探测到一例引力波。后续的计算分析表明，这次引力波由一对黑洞“旋近”“并合”与“铃宕”过程先后发出的引力波构成。这是人类首次直接探测到引力波，标志着引力波天文学正式诞生。

除了上述的双星系统之外，超新星爆发、超大质量黑洞的旋近和并合等过程也会产生引力波。引力波是时空自身曲率的传播，可以在宇宙中自由传播，虽然其强度会随着距离的增大而变弱，但其携带的信息基本上不会在传播过程中改变，因此它也是探测一些重要天体物理过程的有力工具。由于时空很难被“压弯”，引力波的探测也很难，当前引力波探测器也只能探测相对较近的引力波源。

宇宙线粒子：接近光速的“使者”

除了电磁波、中微子与引力波之外，人类还可以利用天体发出的宇宙线来研究对应的天体。宇宙线是宇宙中的带电粒子，大部分为质子。这些带电粒子在某些情况下被加速到接近光速，其中一小部分进入地球大气，碰撞大气中的粒子，产生众多新的粒子，科学家根据接收到的粒子来反推原始的宇宙线粒子。由于带电粒子会在宇宙中的磁场偏转，科学家很难判断发出宇宙线的天体位置，除非是来自太阳和其他很近的天体的宇宙线。

电磁波、中微子、引力波与宇宙线都携带了天体的信息，因此都是天体派出的“信使”。如果某次研究中同时使用到它们中的2种、3种甚至4种，就是“多信使”研究。

过去几十年，人类对太阳的研究就是多信使研究。1987年，人类同时探测到一颗超新星发出的中微子与电磁波，是多信使天文学的一个重大进展。2017年，人类首次探测到一对中子星并合发出的引力波与电磁波，这是首次有引力波参与的多信使研究。

在过去的几百年，人类先是从肉眼观测模式转化为望远镜观测模式，然后从可见光观测模式扩展到电磁波的多波段观测模式;几乎与此同时，人类开始先后将电磁波观测扩展到宇宙线与中微子，最后在2015年将引力波这个“多信使天文学”的最后一块拼图拼出。

现在，人类正在建设更多更强大的各类望远镜与探测器，探测各种电磁波、引力波、中微子与宇宙线，它们将在不远的将来大大推进人类的多信使天文学。(王善钦)