太陽黑子照片 圖片來源：美國國家太陽天文臺官網(wǎng)

2020年12月4日，國外科學(xué)家公布了丹尼爾·井上太陽望遠(yuǎn)鏡（DKIST）拍攝的第一張?zhí)柡谧诱掌?，太陽的?xì)節(jié)正隨著觀測手段的進(jìn)步一點(diǎn)點(diǎn)被揭開,。

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

望遠(yuǎn)鏡：觀測天體電磁波輻射

一開始，人類用肉眼觀看天空,，看到的只是太陽,、月球、水星,、金星,、火星、木星等一些距離足夠近的天體,，以及一些星團(tuán)與少數(shù)銀河系外的星系,。

1609年,，伽利略將自己制造的望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)星空，看到了木星的4顆衛(wèi)星,、土星的光環(huán)與銀河系內(nèi)的更多恒星,。天文學(xué)從此進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡觀測時(shí)代。此后,，人類不斷制造出更多用以觀測來自太空可見光的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡,。借助這些光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，人類發(fā)現(xiàn)了天王星,、海王星等行星,，以及無數(shù)恒星、小行星和其他星系,；此外,，根據(jù)星系可見光的光譜特征與測定出的星系距離,，天文學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了宇宙膨脹的證據(jù),。

另一方面，物理學(xué)家在19世紀(jì)建立起電磁學(xué),，證明我們熟悉的可見光只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,、微波與射電波,。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡只能觀測可見光，卻無法觀測其他電磁波,。不過,，人類制造出的伽馬射線望遠(yuǎn)鏡、X射線望遠(yuǎn)鏡,、紫外線望遠(yuǎn)鏡,、紅外線望遠(yuǎn)鏡、微波探測器,、射電望遠(yuǎn)鏡等可以觀測宇宙中天體發(fā)出的對應(yīng)電磁波輻射,，彌補(bǔ)了光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的不足。

這些望遠(yuǎn)鏡一起構(gòu)成了多波段天文觀測的有力工具,，成為人類研究天體電磁波輻射的重要工具,。比如，通過這些望遠(yuǎn)鏡,，科學(xué)家可以觀測一些恒星爆炸后發(fā)出的強(qiáng)烈伽馬射線與X射線,，一些星云在形成恒星過程中發(fā)出的大量紅外線,，早期宇宙殘留的輻射（當(dāng)前已經(jīng)成為微波輻射），以及一些星系,、恒星與粒子發(fā)出的強(qiáng)烈射電輻射,。

中微子與引力波：了解天體“內(nèi)心”活動(dòng)

雖然電磁波攜帶著天體的重要信息，但它容易被天體內(nèi)部物質(zhì)吸收,。比如,，太陽發(fā)出的紫外線、可見光與紅外線是由太陽內(nèi)部產(chǎn)生的伽馬射線轉(zhuǎn)變而來的,，那些伽馬射線經(jīng)過幾十萬年時(shí)間,，才將能量從核心緩慢擴(kuò)散到表面，這就使得科學(xué)家觀測到的那些光與太陽核心最初形成的伽馬射線完全不同,。

科學(xué)家很難通過觀測到的電磁波輻射,，推測一些天體內(nèi)部產(chǎn)生的信息。因此,，科學(xué)家使用中微子探測器與引力波探測器得到天體核心的一些信息,。

中微子會(huì)在天體內(nèi)部的核反應(yīng)過程中產(chǎn)生。例如,，太陽與恒星內(nèi)部的核聚變會(huì)產(chǎn)生大量中微子,，大質(zhì)量恒星爆發(fā)為超新星的過程中也會(huì)產(chǎn)生大量中微子。這些中微子攜帶了這些天體核心的重要信息,。由于中微子與普通物質(zhì)的相互作用非常微弱,，它們在從天體中心向外傳播的過程中，除了自身的振蕩之外,，特性幾乎不會(huì)變化,。

在過去幾十年中，人類不僅探測到太陽發(fā)出的中微子與超新星發(fā)出的中微子,，還探測到宇宙中一些粒子碰撞產(chǎn)生的能量超級高的中微子,。無數(shù)中微子經(jīng)過巨大的中微子探測器時(shí)，僅有極少數(shù)被探測器捕獲,，根據(jù)得到的信號特征,，天文學(xué)家與物理學(xué)家可以計(jì)算出入射的中微子能量、方向等重要信息,，從而獲得天體核心與宇宙中的一些重要物理過程的信息,。由于中微子與物質(zhì)的作用非常微弱，人類當(dāng)前還只能探測比較近距離的天體或粒子發(fā)出的中微子,。

引力波比中微子更難探測,。根據(jù)愛因斯坦廣義相對論，時(shí)間與空間構(gòu)成一個(gè)整體——時(shí)空；物質(zhì)使時(shí)空彎曲,，時(shí)空的彎曲程度用“曲率”來表示,；在一些現(xiàn)象中，物體會(huì)將時(shí)空的曲率向外傳播,，產(chǎn)生時(shí)空的“漣漪”,，它們就是引力波。

地球繞太陽運(yùn)動(dòng),，就會(huì)產(chǎn)生引力波,，但是這樣的引力波非常微弱。如果是兩個(gè)黑洞繞著共同的中心旋轉(zhuǎn),，產(chǎn)生的引力波就會(huì)強(qiáng)得多,。同理，黑洞—中子星系統(tǒng)與中子星—中子星系統(tǒng)在繞轉(zhuǎn)過程中也會(huì)發(fā)出引力波,。這些系統(tǒng)發(fā)出的引力波的頻率與繞轉(zhuǎn)頻率有關(guān),。

隨著時(shí)間的流逝，這些系統(tǒng)不斷輻射引力波,，損失能量,，彼此不斷靠近，繞轉(zhuǎn)頻率不斷提高,，發(fā)出引力波的頻率也不斷增高,；最后,，它們并合在一起,，這個(gè)過程也會(huì)發(fā)出引力波，且并合之后的“整合”過程也會(huì)發(fā)出引力波,。以上三個(gè)過程分別被稱為“旋近”“并合”與“鈴宕”,。

2015年，激光干涉引力波天文臺（LIGO）探測到一例引力波,。后續(xù)的計(jì)算分析表明,，這次引力波由一對黑洞“旋近”“并合”與“鈴宕”過程先后發(fā)出的引力波構(gòu)成。這是人類首次直接探測到引力波,，標(biāo)志著引力波天文學(xué)正式誕生,。

除了上述的雙星系統(tǒng)之外，超新星爆發(fā),、超大質(zhì)量黑洞的“旋近”和“并合”等過程也會(huì)產(chǎn)生引力波,。引力波是時(shí)空自身曲率的傳播，可以在宇宙中自由傳播,，雖然其強(qiáng)度會(huì)隨著距離的增大而變?nèi)?，但其攜帶的信息基本上不會(huì)在傳播過程中改變，因此它也是探測一些重要天體物理過程的有力工具,。由于時(shí)空很難被“壓彎”,，引力波的探測也很難,，當(dāng)前引力波探測器也只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,、中微子與引力波之外,，人類還可以利用天體發(fā)出的宇宙線來研究對應(yīng)的天體。宇宙線是宇宙中的帶電粒子,，大部分為質(zhì)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(jìn)入地球大氣,，碰撞大氣中的粒子,，產(chǎn)生眾多新的粒子，科學(xué)家根據(jù)接收到的粒子來反推原始的宇宙線粒子,。由于帶電粒子會(huì)在宇宙中的磁場偏轉(zhuǎn),，科學(xué)家很難判斷發(fā)出宇宙線的天體位置，除非是來自太陽和其他很近的天體的宇宙線,。

電磁波,、中微子、引力波與宇宙線都攜帶了天體的信息,，因此都是天體派出的“信使”,。如果某次研究中同時(shí)使用到它們中的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(shí)探測到一顆超新星發(fā)出的中微子與電磁波，是多信使天文學(xué)的一個(gè)重大進(jìn)展,。2017年,，人類首次探測到一對中子星并合發(fā)出的引力波與電磁波，這是首次有引力波參與的多信使研究,。

在過去的幾百年,，人類先是從肉眼觀測模式轉(zhuǎn)化為望遠(yuǎn)鏡觀測模式，然后從可見光觀測模式擴(kuò)展到電磁波的多波段觀測模式,；幾乎與此同時(shí),，人類開始先后將電磁波觀測擴(kuò)展到宇宙線與中微子，最后在2015年將引力波這個(gè)“多信使天文學(xué)”的最后一塊拼圖拼出,。

現(xiàn)在,，人類正在建設(shè)更多更強(qiáng)大的各類望遠(yuǎn)鏡與探測器，探測各種電磁波、引力波,、中微子與宇宙線,，它們將在不遠(yuǎn)的將來大大推進(jìn)人類的多信使天文學(xué)。