多信使天文学时代

通过光、粒子和引力波观察同一天体，这种被称为多信使天文学的方法为天文学家打开了解宇宙的新窗口。

安·芬克拜纳（Ann Finkbeiner）

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。30秒后，冰立方的计算机发出了一条警报，内容包扩中微子的能量、时间和日期，以及它大致来自天空中的哪个位置。

在马里兰大学帕克分校，冰立方团队成员埃里克·布劳富斯（Erik Blaufuss）通过短信收到了警报。他知道，能量这么高的粒子可能来自太阳系之外。布劳富斯在过去一年已经看到了大约10个类似的高能中微子，但是他想：“这是一个漂亮的粒子事件——让我们把它公布出去吧。”晚上8：09，他在一个天文学通报网络上发布了关于这个粒子的消息，这个粒子现在被称为IceCube-170922A。冰立方有5000多个传感器，用来搜寻中微子和冰中的原子相互作用时产生的闪光，追踪闪光的路径，得到粒子在天空中的原始位置。布劳富斯希望这则在晚上发出的消息可以“让观测者行动起来”，去观察一下中微子来源所在的那块天区。如果他们足够幸运，他们可能会发现发出中微子的星系或其他天体。

天空中有各种各样闪耀、爆炸、抖动或发光的事物，中微子只是其中之一。长期以来，天文学家所能观测的主要是那些发光的天体。大约30年前，他们开始探测来自我们太阳系之外的中微子。而从2015开始，他们也能探测到引力波了。但是，把这些不同信号结合起来研究单个天体，即所谓的多信使天文学，主要还是最近的进展。

多信使天文学的一个巨大优势是，与可以被反射、吸收并改变传播方向、掩盖来源信息的光不同，几乎没有什么东西能阻挡引力波或中微子。它们携带的信息是纯净的，这些信息以光速或接近光速的速度直线传播。另一个好处是，引力波或中微子的源——碰撞的黑洞、塌缩的超新星或并合的中子星都是瞬变的、剧烈程度难以形容的奇异天体物理现象。它们中有些曾被预言存在，却从未被观测到，有的已被观测到但还难以理解，还有的用其他任何方法都是看不到的。但是，有了更多的信使，天文学家有望最终理解这些复杂的现象。美国威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家、冰立方项目负责人弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen）说：“这些源很复杂，除非你能通过多种方式观察它们，否则你是不可能搞清楚它们到底是怎么一回事的。”

多种信号同一个源头

布劳富斯发出冰立方通报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。美国航空航天局（NASA）戈达德太空飞行中心费米卫星团队的成员萨拉·布松（Sara Buson）和同事发出公报，称这是一个已知的γ射线源，名为TXS 0506+056。这个源后来被简称为Texas源。布松说：“非常有趣，中微子正好和γ射线重合，这是我们第一次发现重合得这么好。”就在两周前，布松曾发出公告，称费米望远镜发现Texas源变亮了6倍。

同一天下午2:00，一个名为ASAS-SN的光学波段巡天项目的科学家宣布，Texas源实际上在过去50天都在变亮，是过去数年中最亮的时期。第二天，9月29日上午9:00，另一台光学望远镜发现Texas源是一个耀变体（blazar）。这种天体是星系中心的超大质量黑洞，随着物质零星落入其中而断断续续的暴发，发射出正好对着地球方向的喷流。随后，10月17日，美国新墨西哥州的射电望远镜甚大阵证实，这些电磁辐射的确来自一个耀变体的喷流。

耀变体早已为人熟知，但天文学家从未在多波段观测一个耀变体并同时确认它是一个中微子源。更有趣的是，Texas源也是我们首次发现高能中微子和高能γ光子在空间和时间上重合。哈尔岑注意到，在整个天空中，高能中微子的数量和γ射线光子的数量大致相同，所以“显而易见的是”，他说，“这意味着你可能看到的是相同的源。”佛罗里达大学的物理学家伊姆雷·鲍尔托什（Imre Bartos）认为，数量上的相似性是“不同寻常且引人遐想的巧合”，但直接推测它们都来自同样的天体——耀变体，哈尔岑补充说，“就有点过了。”不过，不管怎样，中微子的发现都可以帮助科学家检验有关耀变体高能喷流加速机制的不同理论。鲍尔托什说：“这是很好的开始，但我们还需要更多的多信使观测。”

引力波：一个世纪的等待

第一种光以外的天文学信使就是中微子。它是在1987年2月首次登上舞台的，来自超新星1987A。那是一颗垂死的恒星，其核心在自身引力的重压下塌缩，然后爆发。当时，科学家在日本、美国和俄罗斯探测到了总共25个中微子。3小时后，激波穿透这颗恒星表面时产生的可见光到达了地球。到了11月，衰变的放射性元素产生的X射线和γ射线，以及新形成的重元素发出的红外线也到达了地球，这些元素都是在超新星爆发中产生的。宾夕法尼亚州立大学的物理学家道格·考恩（Doug Cowen，也是冰立方团队的成员）说，超新星1987A帮助天文学家认识了这类超新星是怎样逐渐熄灭的，还有大部分爆发能量是如何以中微子形式释放的。“那是30年前了，”哈尔岑说，“我们从那以后就一直在等待。”现在，IceCube-170922A中微子和Texas源重合是天文学家发现的第二个中微子多信使事件，他们最终动用了至少19台γ射线、X射线、光学以及射电波段的仪器对这一事件进行了观测。

中微子或许是极好的信使，但最奇异的还是引力波。它们一度只存在于理论中，是爱因斯坦的广义相对论在一个世纪之前做出的预言。广义相对论提出，一个物体对另一个物体的吸引——比如苹果对地球的吸引，实际上是由于物质扭曲了周围的时空（质量越大，弯曲得越厉害）。苹果并没有落向地球，而是沿着被地球扭曲的时空螺旋下降。这个理论进一步预言，如果物体加速运动，时空弯曲就会以波的形式向外传播。这种波是时空自身的收缩拉伸。所以，哥伦比亚大学物理学家绍博尔奇·玛尔卡（Szabolcs Marka）说，如果引力波传播时通过了他的身体，他“会变得更高更瘦，然后又变得更矮更胖”。

广义相对论被科学界广泛接受，科学家已经在恒星和星系尺度上，间接观察到了相对论预言的天体产生的时空弯曲。然而，引力波本身却一直没能被探测到。2014年，物理学家升级了名为激光干涉引力波天文台（LIGO）的实验设施。LIGO有两个观测站，每个观测站有两条4千米长、互相垂直的管道。管道一端会发出一束激光，先碰到另一端的一面镜子，然后反射回来，科学家可以得出激光的传播时间。引力波通过LIGO会压缩和拉伸管子，使得激光的运动时间改变1/1021，意味着4千米长的管道会改变一个质子直径的1/10000，玛尔卡说，这就像把美国国债改变了一百万分之一美分。

即使有这样的精度，LIGO也只能探测来自极端致密的大质量源，如中子星的引力波。掉落的苹果也会产生引力波，但是一个苹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达到了它的极限，但仍相当糟糕。依靠三个探测器（美国国土两端各有一个，第三个名为Virgo，位于意大利），科学家能够追踪引力波的源头，把其限定在几十平方度的天区中（满月的直径是0.5度）。加利福尼亚大学圣芭芭拉分校的安迪·豪厄尔（Andy Howell）说，对于天文学家，这就像对着天空挥手说：“它可能在那里的某个地方。”

在2015年9月14日和2017年8月14日之间，LIGO-Virgo探测到了五个不同的引力波源，都是两个黑洞碰撞并合成一个黑洞所产生的。这些都是非常成功的观测——不仅是引力波，也是黑洞存在的第一个直接证据。但这些观测并非多信使天文学。黑洞是黑的，所以这些都是单信使天文事件。根据我们目前对黑洞的认识，它们非常致密，光都无法从中逃离，所以它们的并合只能通过引力波探测到。没有人期望看到来自这些碰撞的光或中微子，尽管有很多探测器进行了观测，但什么都没有发现。

最受人瞩目的天体碰撞事件

就在LIGO探测到最近一次黑洞并合之后3天，一个后来成为多信使天文学典型代表的事件发生了。2017年8月17日，LIGO-Virgo探测到了引力波。仅仅1.74秒后，费米卫星就捕捉到了一次γ射线暴发。这个被称为GW170817的事件似乎并不是黑洞碰撞并合产生的，而最致密的恒星——中子星碰撞的产物。

中子星是超新星留下的塌缩核心，它们非常致密，体内所有的质子与电子都被挤压到一起，形成了中子；它们是那些质量不足以形成黑洞的恒星的最终状态。LIGO-Virgo看到的引力波可能来自两颗星在最终碰撞之前的旋近过程，而γ射线暴则来自它们猛烈的并合——“一瞬间天崩地裂。”宾夕法尼亚州立大学的皮特·梅萨罗什（Peter Mészáros）说。

接下来24小时——“就像把生肉丢进了熊窝”，马里兰的天文学家M·科尔曼·米勒（M. Coleman Miller）说——地面和空间不同电磁波段的探测器开始争先恐后地观测信号。它们把这次并合定位到了一个名为NGC4993的近邻星系，并且发现它在多数波段发出的光都在立即减弱。

然而，红外波段却依然明亮，一直维持第三天，这标志着恒星并合抛射出的碎片中形成了几种最重的化学元素。在接下来几周，X射线和射电辐射也变强了，意味着速度接近光速的喷流冲进了之前并合抛出的物质中。不过，没人探测到中微子，所以喷流肯定不是对着我们的。哈尔岑说，中微子探测器“肯定能看到什么，如果它指向我们的方向”。把所有线索组合起来，这些信使证明，我们看到的是一个理论预言存在，但从未看到过，更不用说实时观测的现象——两颗中子星的爆发性碰撞，天文学家称之为千新星（kilonova）。这个过程最终产生的是另一颗中子星，或正在形成黑洞的中子星，也可能直接产生一个黑洞。

在这颗千新星诞生两个月后，天文学家向世界公布了GW170817。那一天，2017年10月16日，arXiv.org（一个发布科学学术论文预印本的网站）收到了67篇相关论文。在两个月内，论文数量大概又翻了一倍。“arXiv上的文章太多了，”得克萨斯技术大学的亚历山德拉·科西（Alessandra Corsi）说，“我都看不过来了。”

就这样，几个天文学未解之谜突然间就被轻而易举地解决了。这种特殊类型的γ射线暴早在几十年前就被观测到了，但天文学家一直未能直接确定其来源，现在终于知道它们来自中子星并合。科学家也首次认识到，宇宙中最重的那几种元素，例如铂、铀和金大部分都诞生自千新星。它一次就能制造出“质量相当于大约100个地球的黄金”，荷兰拉德堡德大学的萨马亚·尼桑克(Samaya Nissanke)说。在那之后几周，化学家不得不改写了化学书中的元素来源。此外，引力波波形的细节令科学家对一系列广义相对论的替代理论提出了质疑，这些理论都是为了解释暗物质而提出的——有可能排除掉那些认为宇宙身处高于四维的时空中的理论。

与以往一样，这个发现也带来了很多问题。天文学家想知道中子星并合之后发生了什么。他们想看到中子星和黑洞并合，想查明喷流是如何产生，又是什么驱动了它们。他们仍然不知道恒星的核心是如何塌缩成超新星的，他们也想观察不同星系中心的超大质量黑洞相互并合。

所以，除了众多新建和计划中的电磁波探测器，科学家也在筹划一系列新的多信使探测器。日本和印度正在建设LIGO的姊妹探测器。计划在2030年发射的激光干涉空间天线（LISA）是一个轨道引力波探测器，它的探测臂是在三个太空飞行器之间穿行的激光，这三个飞行器排布成一个三角形，边长大约160千米。科学家也在筹建新的高能中微子探测器，例如下一代冰立方和KM3NeT，后者也是一个范围达1立方千米的探测器，将会设置在地中海水面下3500米处。

迅速分出胜负的打赌

天文学家最喜欢在天空中寻找他们不知道能不能看到的东西。尼桑克在2007年从巴黎天体物理研究所获得了物理学博士学位，她说，自那以来的每一天，她都在思考怎样通过光看到引力波源。她在做这个主题的报告时经常遭遇尖锐的提问，“天文学家会说，‘不确定性太大，你得测量极微小的位移，误差高上天了。”要么他们就不提问，但态度漠然。“一半听众看着我，就像我在做什么事似的，”尼桑克说，“另一半睡着了。”她就这样度过了10年。

2017年8月17日，她在阿姆斯特丹的一个会议上做报告，预言第一个光和引力波的多信使事件可能发生在21世纪20年代。她回忆说：“然后有人举手问，‘萨马亚，你是不是太乐观了？”报告后，她和LIGO-印度团队共进午餐，在此期间，她提高了自己的赌注：“我不（经常）打赌，但我敢说我们很快就将看到第一个中子星并合事件。”LIGO-印度的科学家打赌说这不会早于2019年，一个“先生/女士握手之赌”，尼桑克回忆说。一个小时之后，LIGO-Virgo探测到了中子星并合。印度团队的一个成员写信给她：在下次会议之前，我们来“怂恿一下大自然”，讨论一下我们是否会看到中子星-黑洞并合吧。

尼桑克停下了她的故事。“我确实预言了中子星并合，这个黄金般的双星系统，但要花几个小时，我们才真正理解自己看到了什么，”她说，“还将会有更多令人兴奋的事，以及更多更多更多的论文。这有趣极了。”

（Scientific American中文版《环球科学》授权南方周末发表，钱磊翻译）