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这就是为什么"多信使天文学"是天体物理学的未来

2019-11-16 03:13:34 暂无 阅读:1040 评论:0

1987年2月24日,一个前所未有的壮观的信号被天文学家观测到。从165,000光年之外,来自最近被摧毁的恒星的第一个信号到达了地球,该恒星是一颗核心坍塌超新星。人类以前在银河系内外的星系中见过超新星,但这次很特别,它到达的地球的第一个暗示不是以光的形式出现,而是以从未测量过的信号形式出现:中微子。

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图注:超新星1987a的残余物,位于距麦哲伦大云约165,000光年的地方。当它们达到峰值亮度时,II型(核心折叠)超新星的亮度将是Ia型超新星的两倍多,并且会同时发射中微子和光,但与它们的环境相互作用不同,从而到达不同的时间。

直到几个小时后,光才到达,这与恒星内部发生的冲击波到达地表所花的额外时间相对应。当光与构成祖恒星的物质相互作用时,中微子却直接穿过它,使它们有一个重要的开端。太阳系以外的天文事件,首次释放出地球上观测到的光和粒子。“多信使天文学”时代诞生了,虽然,它是一个天文学术语,对非天文学家来说比较陌生,它确是研究宇宙的未来。

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图注:多个中微子事件,由单独的中微子探测器重建。1987年,三个对高能中微子和反中微子敏感的独立探测器在13秒内一次探测了总共25个粒子。几个小时后,光也来了。

最初,天文学局限于在一个非常狭窄的领域:我们唯一能够接收的信号是可见光的形式。因为我们已习惯用眼睛来观察天体,这是我探测宇宙最常用的工具。数千年来,人类的眼睛观察了太阳、月亮、行星、恒星和模糊而遥远的星云,我们现在知道的星云是星系,因为它们缓慢但确实在天空中迁移。

即使在望远镜发明之后,天文学仍然局限于我们能在可见光中感知到的东西。从本质上讲,望远镜所做的一切,基本上都是通过使用镜子和或透镜来增强我们的聚光能力,从而使聚光面积远远超过最彻底扩张的瞳孔的极限。

这些工具将揭示数十万颗恒星、数百万颗颗恒星和数十亿颗恒星,而不是数千颗恒星。

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图注:银河系和周围天空中恒星密度的地图,清楚地显示了银河系、大麦哲伦星云。在可见光下,能发现星光和光阻滞尘埃,但其他波长有能力揭示出远超光谱光学部分的迷人和信息结构。

早期,只有最亮的对象看起来有颜色特征;其他天体如此遥远,只能看到单色信号。然而,当摄影技术被应用到天文学中时,在望远镜上放置彩色滤光片,只能记录特定波长的光。

当同时或快速连续对多个不同波长进行采样时,收集的数据可以组合起来形成单一颜色的图像。这种技术最初应用于地面图像,但在短时间内扩展到天文学,使科学家能够生成夜空中物体的彩色图像。即使在今天,天文摄影领域不仅受到专业人士的喜爱,而且来自世界各地的数以万计的业余爱好者和爱好者也深受其乐。

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图注:通过拍摄三张以三种不同波长收集数据的同一物体的不同照片,可以分配并添加颜色(如红色、绿色和蓝色),从而生成真实真实、真实颜色的图像。天文学家不仅使用这种技术,而且通过实现多波长天文学,将其扩展到了我们眼睛的极限之外。

尽管如此,这一技术仅利用了电磁频谱中最小的部分:可见光。在现实中,有许多形式的光,既有高能量(较短的波长)的光,也有较低的能量(较长的波长)的光,较低的能量(较长的波长)类型的光可以被望远镜感知和探测。

今天,我们利用所有不同形式的光来研究宇宙中存在的天体。

伽马射线和X射线揭示了高能物体,如脉冲星、黑洞和瞬时"爆裂"事件,

紫外线、可见光和近红外光揭示了恒星和恒星形成材料,

中红外和远红外光显示有较冷的气体和尘埃,

而微波和无线电光则能显示粒子的喷射、漫射背景发射以及单个原行星盘中的细节。

我们观察不同波长的光物体时,我们就有可能揭示一种全新的信息。

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图注:这个多波长的仙女座星系视图显示了在无线电光、红外光、可见光、紫外线和X射线光中所揭示的。气体、尘埃、恒星和恒星残余物在不同能量和不同温度下发出光,都可以突出显示,这取决于选择哪个波长。

尽管我们对这些不同类型的天文观测有不同的名称——我们观察到的有些是射线(伽马射线和X射线),有些是光(紫外线和可见光),有些是辐射(红外),有些是波(无线电)——它们仍然光。从物理学的角度来看,我们正在收集同样的物质:光子,或光量子。当我们做任何这些类型的天文学研究时,我们只是在观察具有不同特性的光。

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图注:宇宙射线是来自宇宙的超高能粒子,它撞击高层大气中的质子并产生新的粒子。快速移动的带电粒子也发射出由于切伦科夫辐射产生的光,因为它们的移动速度比地球大气中的光速快,并产生可以在地球上探测到的二次粒子。

换句话说,通过收集任何类型的光来进行天文学研究总是涉及同一类型的信使:同一类型的信息载体。然而,天文学也有其它形式,因为宇宙中的天体不只是发光。当它们经历宇宙允许的所有天体物理过程时,它们可以发出各种各样的信号,包括来自根本不同的信使。

许多类别的对象不仅发射光,而且发射粒子。从天空,包括太阳,我们检测到各种各样的宇宙射线粒子,包括:

电子

正电子(电子的反物质对应物),

质子反质子,

中微子和反中微子,

甚至更重离子,复杂的原子核,从氦到铁。

我们一直在太阳系内收集这些类型的粒子,已经有很长一段时间了,可以说,每次我们遇到流星雨时,我们都在目睹来自过去和现在彗星的大气层中的粒子雨。太阳会发出各种各样的宇宙射线。最近,随着像超级神冈中微子探测器(Kamiokande)和IceCube中微子观测站(美国)这样的精密天文台出现,我们现在能够探测宇宙中微子。

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图注:超级神冈中微子探测器是中微子观测站的继承者,对附近1987年超新星中看到的25个中微子中的12个作出了响应,它仅能从太阳中微子中产生这张太阳图像。

光和粒子在天文学中都是一种完全独立的"信使",因为它们需要完全不同的技术、设备和解释才能理解宇宙。但21世纪10年代带给我们更令人瞩目的东西:第三种基本信使。2015年9月14日,第一个新信号到达:引力波的形式。

引力波是唯一能直接探测到的信号,没有与它相关的已知、测量的标准模型粒子类型。每当质量通过其曲率变化的空间区域加速时,它们就会形成,但它只是我们能够检测到的特定频率的最强、最大振幅信号。科学家使用一台超精密的大激光干涉仪,能够探测到引力波,这些引力波对应的波长变化不超过10^(-19)米:大约是质子的1/10,000。

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图注:在美国华盛顿州,用于探测引力波的LIGO汉福德天文台依靠两个垂直的4公里“手臂”,里面装有激光来探测引力波的通过。当波通过时,一个“手臂”将收缩,而另一个手臂将收缩,反之亦然,产生振幅仅为10^(-19)米的振荡信号。

随着三种截然不同的天文学类型,我们获得了关于宇宙的新窗口和获取所有信息的新方法。光、粒子和引力波是天文学家的不同类型的信使,每一类信号都揭示出其他两个无法透露的关于宇宙的信息。

但是,这些各种天文技术最有力的例子发生在我们能够同时使用多个天文技术时。当天文学家使用术语"多信使天文学"时,这就是他们所指的关键概念:用光和粒子、光和引力波、粒子和引力波,或者所有三个一起探测同一个天体或事件。随着传统(基于光)天文学、引力波天文学和宇宙射线天文学科学的进步,这些多信使事件将揭示宇宙前所未有的结果。

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图注:该图是对两颗合并的中子星的描绘。波纹时空网格表示碰撞发出的引力波,而窄光束是伽马射线的射流,在引力波发生几秒钟后射出(天文学家探测到伽马射线爆发)。2017年观察到的中子星合并的后果指向了黑洞的产生。

2017年,引力波天文学家观测到一个不同于其他信号的多信使信号,该信号最终相当于两颗中子星在大约1.3亿光年外的合并。几乎同时——在引力波信号停止两秒钟后——第一个电磁信号(伽马射线的形式)到达。第一个涉及引力波的稳健多信使信号已经探测到。

这只会随着时间和技术的改进而变得更好。当下一个附近的超新星出现时,我们肯定能够同时探测到光和粒子,甚至可能得到引力波。事实上,今年早些时候,我们的第一个三元信号有一个候选者(没有成功。当脉冲星信号被引力波探测器探测到时,它也将是一个多信使信号。当我们的下一代激光干涉仪空间天线(LISA)上线时,我们甚至可以通过LIGO和Virgo,能够预测今天看到的这些宇宙天体合并事件,从而给自己充足的准备时间,在"t=0"关键时刻,同时观测多信使事件。

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图注:激光干涉仪空间天线(LISA)任务的主要科学目标是探测和观察来自巨大黑洞和双星系的引力波,其周期范围为几十秒至几小时。地面干涉仪无法进入这种低频范围,因为大气效应和地震活动产生的局部引力噪声背景无法屏蔽。它的上线预示着多信使天文学的新、巨大的进步。

我们知道如何从宇宙中收集的三种信号——光、粒子和引力波,它们都将完全不同的信息传送到我们的前门。通过结合每一种观测信号,进行综合分析,我们可以比这些信使类型中的任何一种更多地了解我们的宇宙历史。

我们已经了解了在超新星中如何产生中微子,以及它们的旅行路径如何比光受到物质的阻碍少。我们已经把中子星与千新星的合并和宇宙中最重的元素的产生联系起来。随着多信使天文学还处于起步阶段,随着这一科学在21世纪的发展,我们可以期待发现大量新的天文事件和新的天体。

正如你可以通过听老虎的咆哮,来了解它的状态,观察它狩猎而了解更多关于老虎的信息;你也可以通过检测这些根本不同类型的信使了解更多关于宇宙信号。在任何特定场景中,我们的身体可能受限于我们可以使用的感官,但我们对宇宙的了解,只受到控制宇宙的基本物理原理的限制。为了更深入地了解宇宙,我们应该利用我们所能调动的一切资源。

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