听!宇宙深处的“声音”

豌豆皮

信号，什么是信号？

天文学这个行当，跟绝大多数自然科学不一样，研究的大都是些看得见、摸不着的东西。除了主动砸到地球上的陨石、少数探测器携带返回的样本、闯入地球大气的太阳风粒子和一些专用于捕捉宇宙中高能粒子的大型装置“抓”到的少许粒子之外，天文学家根本够不着来自地球之外的物质。天文学能研究的，主要是通过各种望远镜接收到的各个波段（后面会讲到）的信息。因为这些波段全都是电磁波谱中的一部分，加起来就覆盖了所有类型的电磁波，所以说，现在的天文学早已进入了所谓“全波段天文学”的时代。

2017年8月，人们观测到了两颗中子星并合时发出的引力波和高能光子，一个月后，又成功地把一颗极高能中微子的来源定位到了一个几十亿光年外的“耀变体”上。通过引力波/ 中微子与电磁波之间的印证，天文学家开始可以解读引力波和中微子带来的信息。从此，他们获取信息的途径就不仅限于电磁波，还包括了引力波和中微子等其他的“信使”，天文学也就进入了“多信使天文学”的时代。

这两个专有名词听起来很厉害，实际也确实很厉害，天文学家在最近几十年的发现，比过去几千年加起来还要多。但这也改变不了如下的事实：天文学家还是只能“守株待兔”，在地球上等待来自宇宙的各种信号，并从中解读关于宇宙的一切。他们能做的，基本上只有三点：第一，尽量接收到更多的信号，所以如今的望远镜修得越来越大，选址也要照顾到整个天球，为了避开地球大气层的遮蔽，还要继续发射空间望远镜;第二，尽量过滤掉无关的“噪音”，确定自己接收到的信号到底是来自哪里;第三，用尽一切方法，解读自己接收到的信号，只要能解释它的来龙去脉，也就能够设想出宇宙中某些天体的存在方式，从而逐步了解整个宇宙。

信号，怎能描绘宇宙？

正是在接收、过滤和解读林林总总各种信号的过程中，我们对宇宙的认识被一点点搭建起来。如今我们已经知道，宇宙的绝大部分是真空，其间分布着由超星系团构成网状的脉络，也就是所谓的“宇宙网”，而超星系团本身也由大片的真空和被引力束缚在一起的星系团构成。在星系团内部，依然是广漠的真空，和被引力束缚在一起的一个个星系。而在星系内部，物质的分布照样极度不均衡，在恒星与恒星之间，是遥远的恒星际空间，距离动辄是恒星直径的上千万倍。这些空间倒不再是真空，而是分布着极其稀薄的恒星际物质。在两个星系相撞的时候，发生碰撞的主要是这些星际物质，而恒星几乎总能交错开来，相互碰撞的几率很小。总之，宇宙的物质分布在任何一个尺度上来看都是极端不均匀的，质量集中在少数的区域，除此之外都是真空。

但在宇宙间广袤的真空中并非真的空无一物。这里有永无休止的量子涨落，有驱动宇宙膨胀的暗能量，当然還有无数的信使穿梭来去，携带着来自远方的信息。它们是各种频率的光子（电磁波）和引力子（引力波），还有在宇宙间通行无碍的中微子。正是因为它们如今能够自由地在宇宙中穿行，我们才得以知道宇宙极深处的种种秘密。也正是因为光子曾经在宇宙的极早期无法自由通行，我们无法通过电磁波得知宇宙在38 万岁之前的情形，最多只能回溯到宇宙微波背景辐射（CMB）诞生的时候，那时它们还是弥漫整个宇宙的红色光线，远没有被宇宙的不断膨胀拉伸成微波。这些信使中极小的一部分被地球人类的探测器感知，再转化为信号和图像呈现到天文学家眼前，等待他们的解读。

所以，信号是天文学家能够从宇宙中获取的主要对象，假如你是一个天文学家，你使用的仪器接收到了一些信号，这简直再正常不过了。如果这些信号看起来不同寻常，那更是天大的好事，意味着新的发现在朝你招手，说不定就有机会扬名立万了。

信号，从不可见到可见

从1609年开始，伽利略开启了天文学的望远镜时代。但望远镜在那个时候只是人眼的延伸和辅助，让更多的光进入人眼，带来更多的信息。这些信息直接由视网膜转换为神经信号，传递到大脑进行最终处理，成为我们看到的影像。

但对天文学家来说，人眼并不是最好的信号接收器。实际上它还很糟糕：在所有的电磁波当中，它只能感知波长为400nm～760nm 左右，也就是可见光波段的那些光子，而且在弱光条件下对色彩还很不敏感（这就是我们老看见天文学家说某颗星是某某颜色，但肉眼看上去它们多半都是白色亮点的原因）。肉眼的观察还受到大脑自作主张的干扰，我们的大脑总会倾向于看到我们期待看到的东西，在影像模糊的情况下，还会擅自补充并不存在的信息，以“发现”一些熟悉的图案。此外，人眼看到的东西还无法直接与人分享，必须通过绘画来传递，要是没先练出一手素描的手艺，还真当不上一个合格的天文学家。

照相术的出现改变了这种情况。先是玻璃板，随后是胶片，现在使用的是CCD（电荷耦合器件）传感器，把接收到的光子转换成图片。比起人眼，它有两个主要的好处：一是能够长时间曝光，积累更多的光子，从而获得更多的细节信息;二是传感器不只对可见光敏感，还可以拍摄到其他波段的图像，而这些图像，是我们原本看不见的。

光子作为信使释放信息的过程就变得复杂了：首先要通过光电转换，把电磁波转换为电子流，再把电子流放大后打到屏幕上成像。这样，不管什么波段的光子，最后都被转化为以可见光呈现的图像。天文观测再也不是“所见即所得”的直接观察了，信号的接收与转换成了至关重要的过程。

这个从原本不可见的图像转换为可见光图像的过程，有时会让人误会，觉得图像被人为处理过，“无中生有”地冒出许多细节，网络上还一度有流言宣称“天文图片都是PS的”。但实际上，它只是帮助我们看清那些在可见光波段不会呈现的结构和细节而已。而为了区分不同成分或不同温度等信息，或者为了增强显示某些细节，往往会在天体图像上加上各种颜色，这只是一种示意，并不代表真实的色彩，所以叫“假彩色”。我们欣赏天文图片的时候，如果一幅图片包含可见光以外波段的图像，那它一定就是一幅假彩色图片。

信号，究竟隐藏了哪些信息

宇宙中的天体，不管它是恒星还是星云，星系还是类星体，发出的电磁波都不会仅限于一个波长。它们会在连续的所有波长上都发出辐射，只不过不同温度的天体，辐射强度随波长的变化曲线会有所不同，辐射的峰值波段与温度相对应。温度越高的天体，辐射的峰值就位于能量越高的波段。因此，研究不同波段的电磁信号，也就会看到不同温度的宇宙。这些电磁波在真空中不受阻碍，但在经过气体和尘埃，比如恒星大气、星云或者星际物质的时候，会被选择性地吸收或散射特定波长的光子。关于这些气体、尘埃的化学组成、尘埃颗粒大小的信号，在远方的星光经过它们的同时，就已经加入星光携带的信息中，等待天文学家的解读。

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关于眼睛被大脑“欺骗”的典型例子，著名的有“火星运河”，即天文学家报告说在火星表面看到了疑似河道的纵横交错的纹路。还有“火星上的人脸”，人们在海盗1号拍摄的一张模糊的火星地表照片上“看到”了一张人类的脸庞。如上图中，右下角为海盗1号所拍摄的“火星人脸”，大图则是火星侦察轨道器的高分辨率成像科学设备拍摄的相同区域影像。

红外视野下，马头星云中的尘埃和气体展现出清晰的结构。[NASA， ESA， 哈勃沧海遗珠小组 （AURA/STScI）]

红外波段

假如你关心的是红外波段的信号，你会看到许多表面温度在4000K 以下的恒星。它们大多是年老的红巨星，已经来到生命的晚期，表面温度由于体积的膨胀而降低。你还会看到许多被裹在尘埃里的恒星宝宝，它們即将作为真正的恒星开始发光发热。你将可以“看透”银盘上的尘埃，向银河系的深处看得更远，甚至一窥银河系中心的模样。埋藏在暗星云深处的星团也是常见的红外源，恒星加热了星云中的气体和尘埃，让它们向外发出辐射。正是通过红外波段的观测，我们才得以了解恒星诞生区的面貌。

地球、地球大气和地球表面的一切有温度的物体，包括红外望远镜本身，都在不断地发出红外辐射，把来自宇宙的红外信号“淹没”在背景中。要从地球自身的红外背景中识别出来自宇宙的红外信号，一方面需要尽量降低望远镜自身的辐射，也就是通过各种制冷技术尽量降低望远镜的温度;另一方面，要对信号进行处理，减去背景辐射，把宇宙信号筛选出来。所以，有效的办法就是发射空间望远镜，从大气层外观察宇宙中的红外源。

红色的恒星和蓝色的恒星

不同温度恒星的颜色分布（感谢P. Fraundorf制图）

天鹅座大裂缝是一道浓厚的暗云，在银河亮带前方从天鹅座一直延伸到人马座。（NASA）

可见光波段

假如你关心的是可见光波段的信号，恒星将会是夜空中的主角。不同质量的恒星有着不同的表面温度，对应不同的颜色。温度最低的恒星，主要辐射波段靠近红端，发出很多的红光和很少的蓝光，所以颜色发红。温度最高的恒星，主要辐射波段靠近甚至超出蓝端，发出很多的蓝光和很少的红光，所以颜色发蓝。温度介于两者之间的恒星，随着主要辐射波段的波长变化，恒星的颜色也会发生变化。不过，如果一颗恒星的主要辐射波段位于绿色光的区域，那么它除了发出很多绿光之外，还同时发出较少的蓝光和同样较少的红光，混合起来的结果就是白光。所以，宇宙中有红色的恒星、橙色的恒星、黄色的恒星、蓝色的恒星，却没有绿色的恒星。一些恒星的亮度发生周期性的变化，这是“变星”，其中一类“造父变星”的变化周期与发光本领成正比，它们是恒星际的距离标尺，可以判定星团和星系的距离。

从可见光的视野中观察星空，天空中布满恒星、亮星云、星团，还有银河系外的遥远星系。明亮的银河上分布着许多暗色的斑块和条纹，那是银河系中的尘埃和气体组成的暗云，它们遮挡住了身后的星光。这类暗星云里最有名的当数位于天鹅座的“天鹅座裂缝”，仿佛银河中的一道长长的沙洲，将这一段银河一分为二。可见光无法穿透尘埃的遮挡，尘埃背后的世界需要借助波长更长的信号，才能透漏出真相。偶尔，会有突然闪耀的超新星点亮夜空。它们中的“Ia型超新星”发光本领总是大致相同，是更远的距离标尺，天文学家正是通过测量它们的亮度，才发现宇宙正在加速膨胀。

紫外波段的天鹅座超新星遗迹（NASA/JPL-Caltech）

可见光波段的天鹅座超新星遗迹

紫外波段

假如你关心的是紫外波段的信号，它带来的是温度和能量更高的信息。大质量的蓝色恒星和温度超高的白矮星，还有一些超新星遗迹中被激发的气体云，发出的辐射都主要在紫外波段。像太阳这样的普通恒星，外层的高温大气也会发出大量的紫外辐射。河外星系，不管是和银河系类似的“正常”星系还是活跃的特殊星系，都会在紫外波段显得非常明亮。

紫外波段的信号还能告诉我们关于星际物质的信息。虽然星际物质本身不会发出紫外辐射，但远方的星光穿过它们时，其中的一部分光子，特别是紫外波段的光子，会被星际物质中的尘埃粒子和气体分子吸收和散射。分析星光被吸收和散射的光谱，可以找出星际物质中存在的成分，比如石墨和一氧化碳等尘埃微粒和气体分子。不幸的是，基于同样的原理，地球大气几乎吸收了来自宇宙空间的所有紫外辐射，这对地球上的生命体是好事，对天文学家则很糟糕——紫外望远镜只能搭乘高空气球或者空间飞船，才能接收到来自宇宙的信号。

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红外和紫外波段的研究往往是可见光波段的延伸，使用的望远镜结构相差不大，研究方式也比较相近，甚至一些望远镜，比如哈勃空间望远镜和计划中的詹姆斯·韦伯空间望远镜还兼具光学望远镜（可见光）和红外望远镜的功能。位于电磁波谱两端的其他几个波段则与它们不同。

X 射線视野下的天鹅座X-1，第一个被发现的黑洞候选者，几乎已经肯定是一个黑洞。（NASA/CXC）

X射线

X射线和γ射线携带的信息描绘了一个高能量水平上的宇宙，在这个层面的视野里，围绕在黑洞周遭的吸积盘因为被黑洞的引力加热到极高的温度而熠熠生辉。黑洞的吸积盘是宇宙中产能效率最高的“发动机”，被吸积的物质中，最高可能有40%的质量被转化为能量，以X射线的形式辐射出来，暴露出黑洞的踪迹。如果X射线的信号显示某处有一个强大的X 射线源，它在可见光的视野中非常黯淡，吸积的物质高速围绕着中心的致密天体运转并落向它，同时并没有发现下落物质撞击到中心天体表面所产生的轰击或者飞溅——那它99.99%就是个黑洞没跑了。

小型的黑洞散布在星系中，巨型的黑洞则埋藏在星系的核心。当它活跃的时候，产生的能量足以让整个星系核变得极其明亮，远隔上百亿光年还能被地球上的望远镜察觉，亮度如同一颗普通的黯淡恒星——这是“类星体”这个名字的来源。

编号为PSR B1509-58 的一颗中子星，图中金黄色的部分是X 射线视野看到的中子星和周遭被激发的气体，其他部分是红外视野中看到的较冷的星云。[NASA/CXC/SAO （X 射线）; NASA/JPLCaltech（ 红外）]

同样发出强烈X 射线的还有中子星。它们是非常致密的天体，自身的巨大引力让原子核崩溃，原本的质子和电子相互中和形成中子，凭借中子与中子之间的斥力支撑自己的身体。中子星是超新星爆发的产物，它的诞生经历了超高能量的洗礼，所以虽然已经不能再产生能量，但表面温度还是非常高，发出的电磁辐射主要在X射线波段。中子星周围往往还围绕着超新星遗迹星云，距离中子星较近的气体也会被它的辐射激发，发出X射线。

γ射线

γ射线是电磁波谱中能量最高的部分，在这个层面上的宇宙显得动荡不安，到处都有极端的能量在释放。它带来的是关于超新星爆发、中子星合并、巨型黑洞喷射出高速喷流，乃至（还只存在可能性的）微型黑洞蒸发、正反物质湮灭之类宇宙中最激烈、最狂暴事件的信息。和这些事件比起来，太阳耀斑爆发就算是在γ射线事件中最“温柔”的了。不过，所谓“飘风不终朝，骤雨不终日”，这类事件的持续时间一般不长，极端的例子就是“γ射线暴”，在零点几秒到几十秒，至多几小时的时间里爆发出巨大的能量，然后辐射就完全消失，再也探测不到了。天文学家的烦恼是，还没有哪两次γ暴的变化曲线是相同的，以致难以着手研究其具体过程。他们的对策是盯住那些可能产生类似事件的天体，期待能够在有所准备的情况下目击一次猛烈的超新星爆发连带γ射线暴事件。

在银河系的两端，由银心的巨型黑洞所产生的喷流吹出了两个巨大的辐射出γ 射线的“气泡”（概念图）。（NASA）

射电波

在电磁波的所有波段里，波长最长的是射电波。由于无线电通信也位于这个波段，天文学家每次有什么发现被误读闹出“外星人”的乌龙，不用想，一定是哪里的射电望远镜接收到了什么特别的信号，让人产生了误会。

其实，寻找可能来自外星文明的信号，只是射电望远镜的工作任务中排名靠后——如果不是最后——的一条。射电信号最大的优势是可以看到最冷、最暗、能量最低的景象，哪怕信号源位于最不透明的寒冷气体云深处，也不能阻挡射电信号的穿行。因此，在可见光波段工作的天文学家只能看到太阳周围的几千光年，而射电天文学家能看到整个银河系。

射电天文学家最感兴趣的信号主要有两种。一种是在单个方向上发出强大射电辐射的天体，我们称之为射电源;另一种是来自星际介质原子或分子的谱线。星际介质总是很冷，它们发射的谱线来自原子内部差异很小的子能级跃迁，发生的几率很低，谱线的能量也很低，所以观测它们的任务落在了射电波段。射电波段最重要的谱线来自氢原子，研究谱线的强度和轮廓，可以知道宇宙中最丰富的原子——氢原子云的分布和运动方向，银河系的旋臂形状就是这么被画出来的。除了氢原子和氢离子之外，其他的星际分子也对应有着自己的谱线，每找到一条新的射电谱线，就意味着可能有一种新的星际分子出现在所研究的天区。

银河系的中心是最早被探测到的射电源。银心的射电源中心是一个巨型的黑洞，中子星、超新星遗迹、恒星诞生区也都是银河系里常见的射电源。在银河系外的宇宙深处，处于活跃时期的星系核被内部的黑洞驱动，朝两极发出强烈的射电辐射，让整个星系成为一个强大的射电源。宇宙微波背景辐射（CMB）则近乎均匀地平铺在所有天区，成为我们能看到的最古老的宇宙遗迹。偶尔，还有昙花一现随即倏然消失的快速射电暴（FRB）在宇宙间闪烁，天文学家对这类事件的产生原因有着诸多猜测，但这类爆发出现之前没有征兆，持续时间又非常短，几乎不可能进行后续观测，所以至今还没能弄清其本质。

天文学家从氢离子区（圆点）和氢原子区（方块）的分布中拟合出银河系的旋臂形状。

每一种星际分子，都对应着自己的谱线

来自宇宙深处的信号

2019年年初，加拿大天文学家发表论文，报告说他们借助探测到了若干个新的快速射电暴，其中有一个重复闪了至少6次。由于至今还没人清楚快速射电暴的成因，这种神秘又重复的无线电波让不少人联想到来自外星人的通信讯号。一时间，“外星人来电，要回应吗”的新闻标题充斥了整个社交网络，好不热闹。

其实，这对射电天文学家来说，并不是什么稀奇事儿。50多年前，人们也曾经接收到过来自宇宙的重复射电信号，信号是短促而持续的脉冲，始终保持在天球上的同一个位置，比起快速射电暴这种顶多閃几次就消失的情况，看起来是不是更像是个有特殊含义的信号？当时的人们也以为那是外星人在打招呼，还给它起了个昵称叫“小绿人1号”。结果呢？后来才发现，这种稳定的射电脉冲来自高速旋转的中子星，中子星朝两极发出射电光束，像个巨大的探照灯一样随着它的自转而转动，每扫过地球一次，射电望远镜这个大天线就接收到一个脉冲信号。这颗中子星每1.33秒自转一周，脉冲也就每1.33秒收到一个——一旦了解了产生的机制，说穿了就是这么简单。

等到快速射电暴的成因揭晓的那一天，回头再看如今的种种猜测，我们大概也会有同样的感觉吧。