天文詞典

　　12月4日，國外科學家公布了丹尼爾·井上太陽望遠鏡（DKIST）拍攝的第一張太陽黑子照片，太陽的細節正隨著觀測手段的進步一點點被揭開。

　　美麗(li) 的星空始終吸引著人類。從(cong) 肉眼觀測到發射深空探測器，人類探測星空的手段在過去幾百年中發生了波瀾壯闊的變化。

　　望遠鏡：觀測天體(ti) 電磁波輻射

　　一開始，人類用肉眼觀看天空，看到的隻是太陽、月球、水星、金星、火星、木星等一些距離足夠近的天體(ti) ，以及一些星團與(yu) 少數銀河係外的星係。

　　1609年，伽利略將自己製造的望遠鏡對準星空，看到了木星的4顆衛星、土星的光環與(yu) 銀河係內(nei) 的更多恒星。天文學從(cong) 此進入望遠鏡觀測時代。此後，人類不斷製造出更多用以觀測來自太空可見光的光學望遠鏡。借助這些光學望遠鏡，人類發現了天王星、海王星等行星，以及無數恒星、小行星和其他星係；此外，根據星係可見光的光譜特征與(yu) 測定出的星係距離，天文學家還發現了宇宙膨脹的證據。

　　另一方麵，物理學家在19世紀建立起電磁學，證明我們(men) 熟悉的可見光隻是一種特殊的電磁波。除了可見光之外，電磁波還包含伽馬射線、X射線、紫外線、紅外線、微波與(yu) 射電波。光學望遠鏡隻能觀測可見光，卻無法觀測其他電磁波。不過，人類製造出的伽馬射線望遠鏡、X射線望遠鏡、紫外線望遠鏡、紅外線望遠鏡、微波探測器、射電望遠鏡等可以觀測宇宙中天體(ti) 發出的對應電磁波輻射，彌補了光學望遠鏡的不足。

　　這些望遠鏡一起構成了多波段天文觀測的有力工具，成為(wei) 人類研究天體(ti) 電磁波輻射的重要工具。比如，通過這些望遠鏡，科學家可以觀測一些恒星爆炸後發出的強烈伽馬射線與(yu) X射線，一些星雲(yun) 在形成恒星過程中發出的大量紅外線，早期宇宙殘留的輻射（當前已經成為(wei) 微波輻射），以及一些星係、恒星與(yu) 粒子發出的強烈射電輻射。

　　中微子與(yu) 引力波：了解天體(ti) “內(nei) 心”活動

　　雖然電磁波攜帶著天體(ti) 的重要信息，但它容易被天體(ti) 內(nei) 部物質吸收。比如，太陽發出的紫外線、可見光與(yu) 紅外線是由太陽內(nei) 部產(chan) 生的伽馬射線轉變而來的，那些伽馬射線經過幾十萬(wan) 年時間，才將能量從(cong) 核心緩慢擴散到表麵，這就使得科學家觀測到的那些光與(yu) 太陽核心最初形成的伽馬射線完全不同。

　　因此，科學家很難通過觀測到的電磁波輻射，推測一些天體(ti) 內(nei) 部產(chan) 生的信息。所以，科學家使用中微子探測器與(yu) 引力波探測器得到天體(ti) 核心的一些信息。

　　中微子會(hui) 在天體(ti) 內(nei) 部的核反應過程中產(chan) 生。例如，太陽與(yu) 恒星內(nei) 部的核聚變會(hui) 產(chan) 生大量中微子，大質量恒星爆發為(wei) 超新星的過程中也會(hui) 產(chan) 生大量中微子。這些中微子攜帶了這些天體(ti) 核心的重要信息。由於(yu) 中微子與(yu) 普通物質的相互作用非常微弱，它們(men) 在從(cong) 天體(ti) 中心向外傳(chuan) 播的過程中，除了自身的振蕩之外，特性幾乎不會(hui) 變化。

　　在過去幾十年中，人類不僅(jin) 探測到太陽發出的中微子與(yu) 超新星發出的中微子，還探測到宇宙中一些粒子碰撞產(chan) 生的能量超級高的中微子。無數中微子經過巨大的中微子探測器時，僅(jin) 有極少數被探測器捕獲，根據得到的信號特征，天文學家與(yu) 物理學家可以計算出入射的中微子能量、方向等重要信息，從(cong) 而獲得天體(ti) 核心與(yu) 宇宙中的一些重要物理過程的信息。由於(yu) 中微子與(yu) 物質的作用非常微弱，人類當前還隻能探測比較近距離的天體(ti) 或粒子發出的中微子。

　　引力波比中微子更難探測。根據愛因斯坦廣義(yi) 相對論，時間與(yu) 空間構成一個(ge) 整體(ti) ——時空；物質使時空彎曲，時空的彎曲程度用“曲率”來表示；在一些現象中，物體(ti) 會(hui) 將時空的曲率向外傳(chuan) 播，產(chan) 生時空的“漣漪”，它們(men) 就是引力波。

　　地球繞太陽運動，就會(hui) 產(chan) 生引力波，但是這樣的引力波非常微弱。如果是兩(liang) 個(ge) 黑洞繞著共同的中心旋轉，產(chan) 生的引力波就會(hui) 強得多。同理，黑洞—中子星係統與(yu) 中子星—中子星係統在繞轉過程中也會(hui) 發出引力波。這些係統發出的引力波的頻率與(yu) 繞轉頻率有關(guan) 。

　　隨著時間的流逝，這些係統不斷輻射引力波，損失能量，彼此不斷靠近，繞轉頻率不斷提高，發出引力波的頻率也不斷增高；最後，它們(men) 並合在一起，這個(ge) 過程也會(hui) 發出引力波，且並合之後的“整合”過程也會(hui) 發出引力。以上三個(ge) 過程分別被稱為(wei) “旋近”“並合”與(yu) “鈴宕”。

　　2015年，激光幹涉引力波天文台（LIGO）探測到一例引力波。後續的計算分析表明，這次引力波由一對黑洞“旋近”“並合”與(yu) “鈴宕”過程先後發出的引力波構成。這是人類首次直接探測到引力波，標誌著引力波天文學正式誕生。

　　除了上述的雙星係統之外，超新星爆發、超大質量黑洞的旋近和並合等過程也會(hui) 產(chan) 生引力波。引力波是時空自身曲率的傳(chuan) 播，可以在宇宙中自由傳(chuan) 播，雖然其強度會(hui) 隨著距離的增大而變弱，但其攜帶的信息基本上不會(hui) 在傳(chuan) 播過程中改變，因此它也是探測一些重要天體(ti) 物理過程的有力工具。由於(yu) 時空很難被“壓彎”，引力波的探測也很難，當前引力波探測器也隻能探測相對較近的引力波源。

　　宇宙線粒子：接近光速的“使者”

　　除了電磁波、中微子與(yu) 引力波之外，人類還可以利用天體(ti) 發出的宇宙線來研究對應的天體(ti) 。宇宙線是宇宙中的帶電粒子，大部分為(wei) 質子。這些帶電粒子在某些情況下被加速到接近光速，其中一小部分進入地球大氣，碰撞大氣中的粒子，產(chan) 生眾(zhong) 多新的粒子，科學家根據接收到的粒子來反推原始的宇宙線粒子。由於(yu) 帶電粒子會(hui) 在宇宙中的磁場偏轉，科學家很難判斷發出宇宙線的天體(ti) 位置，除非是來自太陽和其他很近的天體(ti) 的宇宙線。

　　電磁波、中微子、引力波與(yu) 宇宙線都攜帶了天體(ti) 的信息，因此都是天體(ti) 派出的“信使”。如果某次研究中同時使用到它們(men) 中的2種、3種甚至4種，就是“多信使”研究。

　　過去幾十年，人類對太陽的研究就是多信使研究。1987年，人類同時探測到一顆超新星發出的中微子與(yu) 電磁波，是多信使天文學的一個(ge) 重大進展。2017年，人類首次探測到一對中子星並合發出的引力波與(yu) 電磁波，這是首次有引力波參與(yu) 的多信使研究。

　　在過去的幾百年，人類先是從(cong) 肉眼觀測模式轉化為(wei) 望遠鏡觀測模式，然後從(cong) 可見光觀測模式擴展到電磁波的多波段觀測模式；幾乎與(yu) 此同時，人類開始先後將電磁波觀測擴展到宇宙線與(yu) 中微子，最後在2015年將引力波這個(ge) “多信使天文學”的最後一塊拚圖拚出。

　　現在，人類正在建設更多更強大的各類望遠鏡與(yu) 探測器，探測各種電磁波、引力波、中微子與(yu) 宇宙線，它們(men) 將在不遠的將來大大推進人類的多信使天文學。



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