多信使天文學(xué)時(shí)代

通過光、粒子和引力波觀察同一天體，這種被稱為多信使天文學(xué)的方法為天文學(xué)家打開了解宇宙的新窗口。

安·芬克拜納（Ann Finkbeiner）

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，攜帶的能量超過了100萬億電子伏特，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。30秒后，冰立方的計(jì)算機(jī)發(fā)出了一條警報(bào)，內(nèi)容包擴(kuò)中微子的能量、時(shí)間和日期，以及它大致來自天空中的哪個(gè)位置。

在馬里蘭大學(xué)帕克分校，冰立方團(tuán)隊(duì)成員埃里克·布勞富斯（Erik Blaufuss）通過短信收到了警報(bào)。他知道，能量這么高的粒子可能來自太陽系之外。布勞富斯在過去一年已經(jīng)看到了大約10個(gè)類似的高能中微子，但是他想：“這是一個(gè)漂亮的粒子事件——讓我們把它公布出去吧?！蓖砩?：09，他在一個(gè)天文學(xué)通報(bào)網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布了關(guān)于這個(gè)粒子的消息，這個(gè)粒子現(xiàn)在被稱為IceCube-170922A。冰立方有5000多個(gè)傳感器，用來搜尋中微子和冰中的原子相互作用時(shí)產(chǎn)生的閃光，追蹤閃光的路徑，得到粒子在天空中的原始位置。布勞富斯希望這則在晚上發(fā)出的消息可以“讓觀測(cè)者行動(dòng)起來”，去觀察一下中微子來源所在的那塊天區(qū)。如果他們足夠幸運(yùn)，他們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)發(fā)出中微子的星系或其他天體。

天空中有各種各樣閃耀、爆炸、抖動(dòng)或發(fā)光的事物，中微子只是其中之一。長(zhǎng)期以來，天文學(xué)家所能觀測(cè)的主要是那些發(fā)光的天體。大約30年前，他們開始探測(cè)來自我們太陽系之外的中微子。而從2015開始，他們也能探測(cè)到引力波了。但是，把這些不同信號(hào)結(jié)合起來研究單個(gè)天體，即所謂的多信使天文學(xué)，主要還是最近的進(jìn)展。

多信使天文學(xué)的一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)是，與可以被反射、吸收并改變傳播方向、掩蓋來源信息的光不同，幾乎沒有什么東西能阻擋引力波或中微子。它們攜帶的信息是純凈的，這些信息以光速或接近光速的速度直線傳播。另一個(gè)好處是，引力波或中微子的源——碰撞的黑洞、塌縮的超新星或并合的中子星都是瞬變的、劇烈程度難以形容的奇異天體物理現(xiàn)象。它們中有些曾被預(yù)言存在，卻從未被觀測(cè)到，有的已被觀測(cè)到但還難以理解，還有的用其他任何方法都是看不到的。但是，有了更多的信使，天文學(xué)家有望最終理解這些復(fù)雜的現(xiàn)象。美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的物理學(xué)家、冰立方項(xiàng)目負(fù)責(zé)人弗朗西斯·哈爾岑（Francis Halzen）說：“這些源很復(fù)雜，除非你能通過多種方式觀察它們，否則你是不可能搞清楚它們到底是怎么一回事的?！?/p>

多種信號(hào)同一個(gè)源頭

布勞富斯發(fā)出冰立方通報(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。美國(guó)航空航天局（NASA）戈達(dá)德太空飛行中心費(fèi)米衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)的成員薩拉·布松（Sara Buson）和同事發(fā)出公報(bào)，稱這是一個(gè)已知的γ射線源，名為TXS 0506+056。這個(gè)源后來被簡(jiǎn)稱為Texas源。布松說：“非常有趣，中微子正好和γ射線重合，這是我們第一次發(fā)現(xiàn)重合得這么好?！本驮趦芍芮埃妓稍l(fā)出公告，稱費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)Texas源變亮了6倍。

同一天下午2:00，一個(gè)名為ASAS-SN的光學(xué)波段巡天項(xiàng)目的科學(xué)家宣布，Texas源實(shí)際上在過去50天都在變亮，是過去數(shù)年中最亮的時(shí)期。第二天，9月29日上午9:00，另一臺(tái)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)Texas源是一個(gè)耀變體（blazar）。這種天體是星系中心的超大質(zhì)量黑洞，隨著物質(zhì)零星落入其中而斷斷續(xù)續(xù)的暴發(fā)，發(fā)射出正好對(duì)著地球方向的噴流。隨后，10月17日，美國(guó)新墨西哥州的射電望遠(yuǎn)鏡甚大陣證實(shí)，這些電磁輻射的確來自一個(gè)耀變體的噴流。

耀變體早已為人熟知，但天文學(xué)家從未在多波段觀測(cè)一個(gè)耀變體并同時(shí)確認(rèn)它是一個(gè)中微子源。更有趣的是，Texas源也是我們首次發(fā)現(xiàn)高能中微子和高能γ光子在空間和時(shí)間上重合。哈爾岑注意到，在整個(gè)天空中，高能中微子的數(shù)量和γ射線光子的數(shù)量大致相同，所以“顯而易見的是”，他說，“這意味著你可能看到的是相同的源?！狈鹆_里達(dá)大學(xué)的物理學(xué)家伊姆雷·鮑爾托什（Imre Bartos）認(rèn)為，數(shù)量上的相似性是“不同尋常且引人遐想的巧合”，但直接推測(cè)它們都來自同樣的天體——耀變體，哈爾岑補(bǔ)充說，“就有點(diǎn)過了。”不過，不管怎樣，中微子的發(fā)現(xiàn)都可以幫助科學(xué)家檢驗(yàn)有關(guān)耀變體高能噴流加速機(jī)制的不同理論。鮑爾托什說：“這是很好的開始，但我們還需要更多的多信使觀測(cè)?！?/p>

引力波：一個(gè)世紀(jì)的等待

第一種光以外的天文學(xué)信使就是中微子。它是在1987年2月首次登上舞臺(tái)的，來自超新星1987A。那是一顆垂死的恒星，其核心在自身引力的重壓下塌縮，然后爆發(fā)。當(dāng)時(shí)，科學(xué)家在日本、美國(guó)和俄羅斯探測(cè)到了總共25個(gè)中微子。3小時(shí)后，激波穿透這顆恒星表面時(shí)產(chǎn)生的可見光到達(dá)了地球。到了11月，衰變的放射性元素產(chǎn)生的X射線和γ射線，以及新形成的重元素發(fā)出的紅外線也到達(dá)了地球，這些元素都是在超新星爆發(fā)中產(chǎn)生的。賓夕法尼亞州立大學(xué)的物理學(xué)家道格·考恩（Doug Cowen，也是冰立方團(tuán)隊(duì)的成員）說，超新星1987A幫助天文學(xué)家認(rèn)識(shí)了這類超新星是怎樣逐漸熄滅的，還有大部分爆發(fā)能量是如何以中微子形式釋放的。“那是30年前了，”哈爾岑說，“我們從那以后就一直在等待?！爆F(xiàn)在，IceCube-170922A中微子和Texas源重合是天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的第二個(gè)中微子多信使事件，他們最終動(dòng)用了至少19臺(tái)γ射線、X射線、光學(xué)以及射電波段的儀器對(duì)這一事件進(jìn)行了觀測(cè)。

中微子或許是極好的信使，但最奇異的還是引力波。它們一度只存在于理論中，是愛因斯坦的廣義相對(duì)論在一個(gè)世紀(jì)之前做出的預(yù)言。廣義相對(duì)論提出，一個(gè)物體對(duì)另一個(gè)物體的吸引——比如蘋果對(duì)地球的吸引，實(shí)際上是由于物質(zhì)扭曲了周圍的時(shí)空（質(zhì)量越大，彎曲得越厲害）。蘋果并沒有落向地球，而是沿著被地球扭曲的時(shí)空螺旋下降。這個(gè)理論進(jìn)一步預(yù)言，如果物體加速運(yùn)動(dòng)，時(shí)空彎曲就會(huì)以波的形式向外傳播。這種波是時(shí)空自身的收縮拉伸。所以，哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)家紹博爾奇·瑪爾卡（Szabolcs Marka）說，如果引力波傳播時(shí)通過了他的身體，他“會(huì)變得更高更瘦，然后又變得更矮更胖”。

廣義相對(duì)論被科學(xué)界廣泛接受，科學(xué)家已經(jīng)在恒星和星系尺度上，間接觀察到了相對(duì)論預(yù)言的天體產(chǎn)生的時(shí)空彎曲。然而，引力波本身卻一直沒能被探測(cè)到。2014年，物理學(xué)家升級(jí)了名為激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）的實(shí)驗(yàn)設(shè)施。LIGO有兩個(gè)觀測(cè)站，每個(gè)觀測(cè)站有兩條4千米長(zhǎng)、互相垂直的管道。管道一端會(huì)發(fā)出一束激光，先碰到另一端的一面鏡子，然后反射回來，科學(xué)家可以得出激光的傳播時(shí)間。引力波通過LIGO會(huì)壓縮和拉伸管子，使得激光的運(yùn)動(dòng)時(shí)間改變1/1021，意味著4千米長(zhǎng)的管道會(huì)改變一個(gè)質(zhì)子直徑的1/10000，瑪爾卡說，這就像把美國(guó)國(guó)債改變了一百萬分之一美分。

即使有這樣的精度，LIGO也只能探測(cè)來自極端致密的大質(zhì)量源，如中子星的引力波。掉落的蘋果也會(huì)產(chǎn)生引力波，但是一個(gè)蘋果的引力波和中子星的引力波相比微不足道。LIGO的分辨率，也就是定位引力波源在天空中的位置的能力已達(dá)到了它的極限，但仍相當(dāng)糟糕。依靠三個(gè)探測(cè)器（美國(guó)國(guó)土兩端各有一個(gè)，第三個(gè)名為Virgo，位于意大利），科學(xué)家能夠追蹤引力波的源頭，把其限定在幾十平方度的天區(qū)中（滿月的直徑是0.5度）。加利福尼亞大學(xué)圣芭芭拉分校的安迪·豪厄爾（Andy Howell）說，對(duì)于天文學(xué)家，這就像對(duì)著天空揮手說：“它可能在那里的某個(gè)地方。”

在2015年9月14日和2017年8月14日之間，LIGO-Virgo探測(cè)到了五個(gè)不同的引力波源，都是兩個(gè)黑洞碰撞并合成一個(gè)黑洞所產(chǎn)生的。這些都是非常成功的觀測(cè)——不僅是引力波，也是黑洞存在的第一個(gè)直接證據(jù)。但這些觀測(cè)并非多信使天文學(xué)。黑洞是黑的，所以這些都是單信使天文事件。根據(jù)我們目前對(duì)黑洞的認(rèn)識(shí)，它們非常致密，光都無法從中逃離，所以它們的并合只能通過引力波探測(cè)到。沒有人期望看到來自這些碰撞的光或中微子，盡管有很多探測(cè)器進(jìn)行了觀測(cè)，但什么都沒有發(fā)現(xiàn)。

最受人矚目的天體碰撞事件

就在LIGO探測(cè)到最近一次黑洞并合之后3天，一個(gè)后來成為多信使天文學(xué)典型代表的事件發(fā)生了。2017年8月17日，LIGO-Virgo探測(cè)到了引力波。僅僅1.74秒后，費(fèi)米衛(wèi)星就捕捉到了一次γ射線暴發(fā)。這個(gè)被稱為GW170817的事件似乎并不是黑洞碰撞并合產(chǎn)生的，而最致密的恒星——中子星碰撞的產(chǎn)物。

中子星是超新星留下的塌縮核心，它們非常致密，體內(nèi)所有的質(zhì)子與電子都被擠壓到一起，形成了中子；它們是那些質(zhì)量不足以形成黑洞的恒星的最終狀態(tài)。LIGO-Virgo看到的引力波可能來自兩顆星在最終碰撞之前的旋近過程，而γ射線暴則來自它們猛烈的并合——“一瞬間天崩地裂?！辟e夕法尼亞州立大學(xué)的皮特·梅薩羅什（Peter Mészáros）說。

接下來24小時(shí)——“就像把生肉丟進(jìn)了熊窩”，馬里蘭的天文學(xué)家M·科爾曼·米勒（M. Coleman Miller）說——地面和空間不同電磁波段的探測(cè)器開始爭(zhēng)先恐后地觀測(cè)信號(hào)。它們把這次并合定位到了一個(gè)名為NGC4993的近鄰星系，并且發(fā)現(xiàn)它在多數(shù)波段發(fā)出的光都在立即減弱。

然而，紅外波段卻依然明亮，一直維持第三天，這標(biāo)志著恒星并合拋射出的碎片中形成了幾種最重的化學(xué)元素。在接下來幾周，X射線和射電輻射也變強(qiáng)了，意味著速度接近光速的噴流沖進(jìn)了之前并合拋出的物質(zhì)中。不過，沒人探測(cè)到中微子，所以噴流肯定不是對(duì)著我們的。哈爾岑說，中微子探測(cè)器“肯定能看到什么，如果它指向我們的方向”。把所有線索組合起來，這些信使證明，我們看到的是一個(gè)理論預(yù)言存在，但從未看到過，更不用說實(shí)時(shí)觀測(cè)的現(xiàn)象——兩顆中子星的爆發(fā)性碰撞，天文學(xué)家稱之為千新星（kilonova）。這個(gè)過程最終產(chǎn)生的是另一顆中子星，或正在形成黑洞的中子星，也可能直接產(chǎn)生一個(gè)黑洞。

在這顆千新星誕生兩個(gè)月后，天文學(xué)家向世界公布了GW170817。那一天，2017年10月16日，arXiv.org（一個(gè)發(fā)布科學(xué)學(xué)術(shù)論文預(yù)印本的網(wǎng)站）收到了67篇相關(guān)論文。在兩個(gè)月內(nèi)，論文數(shù)量大概又翻了一倍?！癮rXiv上的文章太多了，”得克薩斯技術(shù)大學(xué)的亞歷山德拉·科西（Alessandra Corsi）說，“我都看不過來了?！?/p>

就這樣，幾個(gè)天文學(xué)未解之謎突然間就被輕而易舉地解決了。這種特殊類型的γ射線暴早在幾十年前就被觀測(cè)到了，但天文學(xué)家一直未能直接確定其來源，現(xiàn)在終于知道它們來自中子星并合?？茖W(xué)家也首次認(rèn)識(shí)到，宇宙中最重的那幾種元素，例如鉑、鈾和金大部分都誕生自千新星。它一次就能制造出“質(zhì)量相當(dāng)于大約100個(gè)地球的黃金”，荷蘭拉德堡德大學(xué)的薩馬亞·尼?？?Samaya Nissanke)說。在那之后幾周，化學(xué)家不得不改寫了化學(xué)書中的元素來源。此外，引力波波形的細(xì)節(jié)令科學(xué)家對(duì)一系列廣義相對(duì)論的替代理論提出了質(zhì)疑，這些理論都是為了解釋暗物質(zhì)而提出的——有可能排除掉那些認(rèn)為宇宙身處高于四維的時(shí)空中的理論。

與以往一樣，這個(gè)發(fā)現(xiàn)也帶來了很多問題。天文學(xué)家想知道中子星并合之后發(fā)生了什么。他們想看到中子星和黑洞并合，想查明噴流是如何產(chǎn)生，又是什么驅(qū)動(dòng)了它們。他們?nèi)匀徊恢篮阈堑暮诵氖侨绾嗡s成超新星的，他們也想觀察不同星系中心的超大質(zhì)量黑洞相互并合。

所以，除了眾多新建和計(jì)劃中的電磁波探測(cè)器，科學(xué)家也在籌劃一系列新的多信使探測(cè)器。日本和印度正在建設(shè)LIGO的姊妹探測(cè)器。計(jì)劃在2030年發(fā)射的激光干涉空間天線（LISA）是一個(gè)軌道引力波探測(cè)器，它的探測(cè)臂是在三個(gè)太空飛行器之間穿行的激光，這三個(gè)飛行器排布成一個(gè)三角形，邊長(zhǎng)大約160千米?？茖W(xué)家也在籌建新的高能中微子探測(cè)器，例如下一代冰立方和KM3NeT，后者也是一個(gè)范圍達(dá)1立方千米的探測(cè)器，將會(huì)設(shè)置在地中海水面下3500米處。

迅速分出勝負(fù)的打賭

天文學(xué)家最喜歡在天空中尋找他們不知道能不能看到的東西。尼?？嗽?007年從巴黎天體物理研究所獲得了物理學(xué)博士學(xué)位，她說，自那以來的每一天，她都在思考怎樣通過光看到引力波源。她在做這個(gè)主題的報(bào)告時(shí)經(jīng)常遭遇尖銳的提問，“天文學(xué)家會(huì)說，‘不確定性太大，你得測(cè)量極微小的位移，誤差高上天了?！币此麄兙筒惶釂?，但態(tài)度漠然?！耙话肼牨娍粗?，就像我在做什么事似的，”尼?？苏f，“另一半睡著了。”她就這樣度過了10年。

2017年8月17日，她在阿姆斯特丹的一個(gè)會(huì)議上做報(bào)告，預(yù)言第一個(gè)光和引力波的多信使事件可能發(fā)生在21世紀(jì)20年代。她回憶說：“然后有人舉手問，‘薩馬亞，你是不是太樂觀了？”報(bào)告后，她和LIGO-印度團(tuán)隊(duì)共進(jìn)午餐，在此期間，她提高了自己的賭注：“我不（經(jīng)常）打賭，但我敢說我們很快就將看到第一個(gè)中子星并合事件。”LIGO-印度的科學(xué)家打賭說這不會(huì)早于2019年，一個(gè)“先生/女士握手之賭”，尼?？嘶貞浾f。一個(gè)小時(shí)之后，LIGO-Virgo探測(cè)到了中子星并合。印度團(tuán)隊(duì)的一個(gè)成員寫信給她：在下次會(huì)議之前，我們來“慫恿一下大自然”，討論一下我們是否會(huì)看到中子星-黑洞并合吧。

尼?？送Ｏ铝怂墓适??！拔掖_實(shí)預(yù)言了中子星并合，這個(gè)黃金般的雙星系統(tǒng)，但要花幾個(gè)小時(shí)，我們才真正理解自己看到了什么，”她說，“還將會(huì)有更多令人興奮的事，以及更多更多更多的論文。這有趣極了?！?/p>

（Scientific American中文版《環(huán)球科學(xué)》授權(quán)南方周末發(fā)表，錢磊翻譯）