倾听宇宙深处的吟唱 | f²科学峰会
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撰文 | 张帆（北师大天文系副教授）
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随着引力波被探测和证实，人类对天体物理的研究又多了新的手段。综合电磁波、引力波、中微子、宇宙线等多种观测手段相结合，可以帮助我们对宇宙有全新的认知和了解。现在，我们不仅能够“看到”、“尝到”，也可以“听到”宇宙给我们的信息。
浩瀚苍穹之中，我们是不是唯一的生命。宇宙深处，又有多少秘密在等待我们去发掘。宇宙起源是什么，我们又以什么样的手段去了解自身所处的宇宙。这些问题，都将在2018年未来科学大奖颁奖典礼暨f²科学峰会“天体物理”专题讨论会上得到答案。
引力波——宇宙的耳语
长期以来，天体物理的研究者们只能借助有限的观测手段，来验证我们对于宇宙深处作用机制的理论猜想。相当于我们只能“看到”宇宙深处发生了什么，是否与我们之前的设想是一致的。2015年末到2016年初，引力波探测的首次实现，则让我们“听到”了来自宇宙深处的吟唱，2017年8月17日的一个早上，随着天空中划过一道闪光，天文学的新时代来临了。
2017年8月17日，人类第一次直接探测到双子星合并产生的引力波。
这个被费米伽玛射线太空望远镜捕捉到的伽马射线的爆发来自宇宙中某处两个中子星（当大质量恒星坍塌和死亡时形成的密度极高的天体）的合并。但伽马射线并非此次合并形成的唯一信号。在费米望远镜捕捉到这一信号的几秒内，合并形成的时空涟漪也在两个设施——位于美国的引力波干涉天文台（ligo）和位于意大利的处女座天文台（virgo）之间产生了回荡。根据引力波抵达的时间和强度，天文学家推测它们来自于距离地球1.3亿光年的一个星系。
中微子——宇宙的味道
而由美国国家自然科学基金会资助的南极冰立方中微子天文台（icecube neutrino observatory，简称为“冰立方”icecube）的发现，则让我们“尝到”了宇宙中天体合并的味道。“冰立方”有5000多个深埋于地下的探测器，当这些能够自由穿越于星系之中、且能量很高的宇宙射线及粒子与南极冰雪中的原子发生碰撞时，将会产生稍纵即逝的蓝光闪烁，此时极度敏感的探测器便可记录下这些闪光。然后探测器会通过对撞击而生的关于闪光特征的记录，锁定这些闪光的运行路径，从而帮助科学家揭示出它们来自宇宙中的具体方位。
美国东部时间2017年9月22日下午4:54，一个中微子突然现身在地球南极，质量近乎为零的它闯入了埋在南极冰盖中的冰立方中微子天文台的传感器。这是个相当罕见的中微子，携带的能量超过了100万亿电子伏特，而地球上最强大的加速器，也只能让粒子的能量达到这个数值的1/10。这个粒子被称为icecube-170922a。
冰立方通报4天后，雨燕x射线空间望远镜（swift observatory）的科学家报告称，他们观测了icecube-170922a的来源区域，找到了9个发射x射线的源。仅仅两天以后，9月28日早上6:10，工作于γ波段的费米望远镜报告，它在icecube-170922a和雨燕望远镜发现的第二个x射线源所在的同一个位置观测到了γ射线。协同其他观测数据，天文学家推测这些信号来自同一个耀变体（blazar）。
多信使让我们不再盲人摸象
这种多源协同的宇宙观测可以在不同的理论机制上证实我们对宇宙深处诸如天体合并等事件的猜测，从而让推动我们的认知达到一个新的水平。一旦实现，天文学就算是真正跨进了多信使研究（即电磁波、引力波、中微子、宇宙线等多种观测手段相结合的天文研究）的新时代。我们不仅能“看到”、“尝到”，也能够“听到”宇宙深处传来的低声吟唱。
但此前要完全发挥引力波的工具作用客观上一直存在着较大的困难，困难在于没有相应的电磁波观测。虽然引力波探测常常能够剑指天体核心，但天体最丰富的物理性质包括它们的环境性质仍然要通过电磁辐射表现出来。因此，只有实现了引力波和电磁波的双剑合璧，两者相互映照，才能为引力波源的天体性质提供交叉限制并充分发挥引力波在天文学研究中的重要作用。这其中，电磁对应体对于引力波而言，它还是一个定位神器，因为电磁波信号往往具有比引力波信号好得多的空间分辨率。好比我们可以现在听到天体合并所谱写的乐曲，但是这个声音过于模糊，最好还能看到歌词，才能帮助我们更好的理解它。
北师大天文系副教授张帆给了形象的诠释，以现在的观测手段来说，我们好比是在盲人摸象，每个人接触到的，是同一个物体的不同方面。如果我们能够实现多信使天文研究，我们就可以对天体现象有了更全面更直观的认识，从而改变我们对这个事物的整体认知。
除此以外，多信使的天文学研究可以帮助我们实现在地球上无法模拟的实验。一些如超强磁场、超高温度的极端物理状态，只有通过天文观测，获取多种数据，并结合在一起研究，才可以让我们设想的理论模型在不断修正的过程中趋于完善。
2018年未来科学大奖颁奖典礼暨f²科学峰会即将启幕，其中一个重要议题就是天体物理。众多天体物理的研究者将聚集在一起，总结过去，探讨现在，展望未来。跟随这些科学家们，一起去学习宇宙的语言，倾听来自宇宙深处的吟唱。
注：本文由未来论坛提供。
