通過光、粒子和引力波觀察同一天體，這種被稱為多信使天文學(xué)的方法為天文學(xué)家打開了解宇宙的新窗口。

安·芬克拜納（Ann Finkbeiner）

美國東部時間2017年9月22日下午4:54，一個中微子突然現(xiàn)身在地球南極，質(zhì)量近乎為零的它闖入了埋在南極冰蓋中的冰立方中微子天文臺的傳感器。這是個相當(dāng)罕見的中微子，攜帶的能量超過了100萬億電子伏特，而地球上最強大的加速器，也只能讓粒子的能量達到這個數(shù)值的1/10。30秒后，冰立方的計算機發(fā)出了一條警報，內(nèi)容包擴中微子的能量、時間和日期，以及它大致來自天空中的哪個位置。

在馬里蘭大學(xué)帕克分校，冰立方團隊成員埃里克·布勞富斯（Erik Blaufuss）通過短信收到了警報。他知道，能量這么高的粒子可能來自太陽系之外。布勞富斯在過去一年已經(jīng)看到了大約10個類似的高能中微子，但是他想：“這是一個漂亮的粒子事件——讓我們把它公布出去吧?！蓖砩?：09，他在一個天文學(xué)通報網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布了關(guān)于這個粒子的消息，這個粒子現(xiàn)在被稱為IceCube-170922A。冰立方有5000多個傳感器，用來搜尋中微子和冰中的原子相互作用時產(chǎn)生的閃光，追蹤閃光的路徑，得到粒子在天空中的原始位置。布勞富斯希望這則在晚上發(fā)出的消息可以“讓觀測者行動起來”，去觀察一下中微子來源所在的那塊天區(qū)。如果他們足夠幸運，他們可能會發(fā)現(xiàn)發(fā)出中微子的星系或其他天體。

天空中有各種各樣閃耀、爆炸、抖動或發(fā)光的事物，中微子只是其中之一。長期以來，天文學(xué)家所能觀測的主要是那些發(fā)光的天體。大約30年前，他們開始探測來自我們太陽系之外的中微子。而從2015開始，他們也能探測到引力波了。但是，把這些不同信號結(jié)合起來研究單個天體，即所謂的多信使天文學(xué)，主要還是最近的進展。

多信使天文學(xué)的一個巨大優(yōu)勢是，與可以被反射、吸收并改變傳播方向、掩蓋來源信息的光不同，幾乎沒有什么東西能阻擋引力波或中微子。它們攜帶的信息是純凈的，這些信息以光速或接近光速的速度直線傳播。另一個好處是，引力波或中微子的源——碰撞的黑洞、塌縮的超新星或并合的中子星都是瞬變的、劇烈程度難以形容的奇異天體物理現(xiàn)象。它們中有些曾被預(yù)言存在，卻從未被觀測到，有的已被觀測到但還難以理解，還有的用其他任何方法都是看不到的。但是，有了更多的信使，天文學(xué)家有望最終理解這些復(fù)雜的現(xiàn)象。美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的物理學(xué)家、冰立方項目負責(zé)人弗朗西斯·哈爾岑（Francis Halzen）說：“這些源很復(fù)雜，除非你能通過多種方式觀察它們，否則你是不可能搞清楚它們到底是怎么一回事的?！?/p>

多種信號同一個源頭

布勞富斯發(fā)出冰立方通報4天后，雨燕X射線空間望遠鏡（Swift Observatory）的科學(xué)家報告稱，他們觀測了IceCube-170922A的來源區(qū)域，找到了9個發(fā)射X射線的源。

僅僅兩天以后，9月28日早上6:10，工作于γ波段的費米望遠鏡報告，它在IceCube-170922A和雨燕望遠鏡發(fā)現(xiàn)的第二個X射線源所在的同一個位置觀測到了γ射線。美國航空航天局（NASA）戈達德太空飛行中心費米衛(wèi)星團隊的成員薩拉·布松（Sara Buson）和同事發(fā)出公報，稱這是一個已知的γ射線源，名為TXS 0506+056。這個源后來被簡稱為Texas源。布松說：“非常有趣，中微子正好和γ射線重合，這是我們第一次發(fā)現(xiàn)重合得這么好?！本驮趦芍芮?，布松曾發(fā)出公告，稱費米望遠鏡發(fā)現(xiàn)Texas源變亮了6倍。

同一天下午2:00，一個名為ASAS-SN的光學(xué)波段巡天項目的科學(xué)家宣布，Texas源實際上在過去50天都在變亮，是過去數(shù)年中最亮的時期。第二天，9月29日上午9:00，另一臺光學(xué)望遠鏡發(fā)現(xiàn)Texas源是一個耀變體（blazar）。這種天體是星系中心的超大質(zhì)量黑洞，隨著物質(zhì)零星落入其中而斷斷續(xù)續(xù)的暴發(fā)，發(fā)射出正好對著地球方向的噴流。隨后，10月17日，美國新墨西哥州的射電望遠鏡甚大陣證實，這些電磁輻射的確來自一個耀變體的噴流。

耀變體早已為人熟知，但天文學(xué)家從未在多波段觀測一個耀變體并同時確認(rèn)它是一個中微子源。更有趣的是，Texas源也是我們首次發(fā)現(xiàn)高能中微子和高能γ光子在空間和時間上重合。哈爾岑注意到，在整個天空中，高能中微子的數(shù)量和γ射線光子的數(shù)量大致相同，所以“顯而易見的是”，他說，“這意味著你可能看到的是相同的源。”佛羅里達大學(xué)的物理學(xué)家伊姆雷·鮑爾托什（Imre Bartos）認(rèn)為，數(shù)量上的相似性是“不同尋常且引人遐想的巧合”，但直接推測它們都來自同樣的天體——耀變體，哈爾岑補充說，“就有點過了。”不過，不管怎樣，中微子的發(fā)現(xiàn)都可以幫助科學(xué)家檢驗有關(guān)耀變體高能噴流加速機制的不同理論。鮑爾托什說：“這是很好的開始，但我們還需要更多的多信使觀測?！?/p>

引力波：一個世紀(jì)的等待

第一種光以外的天文學(xué)信使就是中微子。它是在1987年2月首次登上舞臺的，來自超新星1987A。那是一顆垂死的恒星，其核心在自身引力的重壓下塌縮，然后爆發(fā)。當(dāng)時，科學(xué)家在日本、美國和俄羅斯探測到了總共25個中微子。3小時后，激波穿透這顆恒星表面時產(chǎn)生的可見光到達了地球。到了11月，衰變的放射性元素產(chǎn)生的X射線和γ射線，以及新形成的重元素發(fā)出的紅外線也到達了地球，這些元素都是在超新星爆發(fā)中產(chǎn)生的。賓夕法尼亞州立大學(xué)的物理學(xué)家道格·考恩（Doug Cowen，也是冰立方團隊的成員）說，超新星1987A幫助天文學(xué)家認(rèn)識了這類超新星是怎樣逐漸熄滅的，還有大部分爆發(fā)能量是如何以中微子形式釋放的?！澳鞘?0年前了，”哈爾岑說，“我們從那以后就一直在等待?！爆F(xiàn)在，IceCube-170922A中微子和Texas源重合是天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的第二個中微子多信使事件，他們最終動用了至少19臺γ射線、X射線、光學(xué)以及射電波段的儀器對這一事件進行了觀測。

中微子或許是極好的信使，但最奇異的還是引力波。它們一度只存在于理論中，是愛因斯坦的廣義相對論在一個世紀(jì)之前做出的預(yù)言。廣義相對論提出，一個物體對另一個物體的吸引——比如蘋果對地球的吸引，實際上是由于物質(zhì)扭曲了周圍的時空（質(zhì)量越大，彎曲得越厲害）。蘋果并沒有落向地球，而是沿著被地球扭曲的時空螺旋下降。這個理論進一步預(yù)言，如果物體加速運動，時空彎曲就會以波的形式向外傳播。這種波是時空自身的收縮拉伸。所以，哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)家紹博爾奇·瑪爾卡（Szabolcs Marka）說，如果引力波傳播時通過了他的身體，他“會變得更高更瘦，然后又變得更矮更胖”。

廣義相對論被科學(xué)界廣泛接受，科學(xué)家已經(jīng)在恒星和星系尺度上，間接觀察到了相對論預(yù)言的天體產(chǎn)生的時空彎曲。然而，引力波本身卻一直沒能被探測到。2014年，物理學(xué)家升級了名為激光干涉引力波天文臺（LIGO）的實驗設(shè)施。LIGO有兩個觀測站，每個觀測站有兩條4千米長、互相垂直的管道。管道一端會發(fā)出一束激光，先碰到另一端的一面鏡子，然后反射回來，科學(xué)家可以得出激光的傳播時間。引力波通過LIGO會壓縮和拉伸管子，使得激光的運動時間改變1/1021，意味著4千米長的管道會改變一個質(zhì)子直徑的1/10000，瑪爾卡說，這就像把美國國債改變了一百萬分之一美分。

即使有這樣的精度，LIGO也只能探測來自極端致密的大質(zhì)量源，如中子星的引力波。掉落的蘋果也會產(chǎn)生引力波，但是一個蘋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達到了它的極限，但仍相當(dāng)糟糕。依靠三個探測器（美國國土兩端各有一個，第三個名為Virgo，位于意大利），科學(xué)家能夠追蹤引力波的源頭，把其限定在幾十平方度的天區(qū)中（滿月的直徑是0.5度）。加利福尼亞大學(xué)圣芭芭拉分校的安迪·豪厄爾（Andy Howell）說，對于天文學(xué)家，這就像對著天空揮手說：“它可能在那里的某個地方?！?/p>

在2015年9月14日和2017年8月14日之間，LIGO-Virgo探測到了五個不同的引力波源，都是兩個黑洞碰撞并合成一個黑洞所產(chǎn)生的。這些都是非常成功的觀測——不僅是引力波，也是黑洞存在的第一個直接證據(jù)。但這些觀測并非多信使天文學(xué)。黑洞是黑的，所以這些都是單信使天文事件。根據(jù)我們目前對黑洞的認(rèn)識，它們非常致密，光都無法從中逃離，所以它們的并合只能通過引力波探測到。沒有人期望看到來自這些碰撞的光或中微子，盡管有很多探測器進行了觀測，但什么都沒有發(fā)現(xiàn)。

最受人矚目的天體碰撞事件

就在LIGO探測到最近一次黑洞并合之后3天，一個后來成為多信使天文學(xué)典型代表的事件發(fā)生了。2017年8月17日，LIGO-Virgo探測到了引力波。僅僅1.74秒后，費米衛(wèi)星就捕捉到了一次γ射線暴發(fā)。這個被稱為GW170817的事件似乎并不是黑洞碰撞并合產(chǎn)生的，而最致密的恒星——中子星碰撞的產(chǎn)物。

中子星是超新星留下的塌縮核心，它們非常致密，體內(nèi)所有的質(zhì)子與電子都被擠壓到一起，形成了中子；它們是那些質(zhì)量不足以形成黑洞的恒星的最終狀態(tài)。LIGO-Virgo看到的引力波可能來自兩顆星在最終碰撞之前的旋近過程，而γ射線暴則來自它們猛烈的并合——“一瞬間天崩地裂?！辟e夕法尼亞州立大學(xué)的皮特·梅薩羅什（Peter Mészáros）說。

接下來24小時——“就像把生肉丟進了熊窩”，馬里蘭的天文學(xué)家M·科爾曼·米勒（M. Coleman Miller）說——地面和空間不同電磁波段的探測器開始爭先恐后地觀測信號。它們把這次并合定位到了一個名為NGC4993的近鄰星系，并且發(fā)現(xiàn)它在多數(shù)波段發(fā)出的光都在立即減弱。

然而，紅外波段卻依然明亮，一直維持第三天，這標(biāo)志著恒星并合拋射出的碎片中形成了幾種最重的化學(xué)元素。在接下來幾周，X射線和射電輻射也變強了，意味著速度接近光速的噴流沖進了之前并合拋出的物質(zhì)中。不過，沒人探測到中微子，所以噴流肯定不是對著我們的。哈爾岑說，中微子探測器“肯定能看到什么，如果它指向我們的方向”。把所有線索組合起來，這些信使證明，我們看到的是一個理論預(yù)言存在，但從未看到過，更不用說實時觀測的現(xiàn)象——兩顆中子星的爆發(fā)性碰撞，天文學(xué)家稱之為千新星（kilonova）。這個過程最終產(chǎn)生的是另一顆中子星，或正在形成黑洞的中子星，也可能直接產(chǎn)生一個黑洞。

在這顆千新星誕生兩個月后，天文學(xué)家向世界公布了GW170817。那一天，2017年10月16日，arXiv.org（一個發(fā)布科學(xué)學(xué)術(shù)論文預(yù)印本的網(wǎng)站）收到了67篇相關(guān)論文。在兩個月內(nèi)，論文數(shù)量大概又翻了一倍。“arXiv上的文章太多了，”得克薩斯技術(shù)大學(xué)的亞歷山德拉·科西（Alessandra Corsi）說，“我都看不過來了?！?/p>

就這樣，幾個天文學(xué)未解之謎突然間就被輕而易舉地解決了。這種特殊類型的γ射線暴早在幾十年前就被觀測到了，但天文學(xué)家一直未能直接確定其來源，現(xiàn)在終于知道它們來自中子星并合?？茖W(xué)家也首次認(rèn)識到，宇宙中最重的那幾種元素，例如鉑、鈾和金大部分都誕生自千新星。它一次就能制造出“質(zhì)量相當(dāng)于大約100個地球的黃金”，荷蘭拉德堡德大學(xué)的薩馬亞·尼?？?Samaya Nissanke)說。在那之后幾周，化學(xué)家不得不改寫了化學(xué)書中的元素來源。此外，引力波波形的細節(jié)令科學(xué)家對一系列廣義相對論的替代理論提出了質(zhì)疑，這些理論都是為了解釋暗物質(zhì)而提出的——有可能排除掉那些認(rèn)為宇宙身處高于四維的時空中的理論。

與以往一樣，這個發(fā)現(xiàn)也帶來了很多問題。天文學(xué)家想知道中子星并合之后發(fā)生了什么。他們想看到中子星和黑洞并合，想查明噴流是如何產(chǎn)生，又是什么驅(qū)動了它們。他們?nèi)匀徊恢篮阈堑暮诵氖侨绾嗡s成超新星的，他們也想觀察不同星系中心的超大質(zhì)量黑洞相互并合。

所以，除了眾多新建和計劃中的電磁波探測器，科學(xué)家也在籌劃一系列新的多信使探測器。日本和印度正在建設(shè)LIGO的姊妹探測器。計劃在2030年發(fā)射的激光干涉空間天線（LISA）是一個軌道引力波探測器，它的探測臂是在三個太空飛行器之間穿行的激光，這三個飛行器排布成一個三角形，邊長大約160千米?？茖W(xué)家也在籌建新的高能中微子探測器，例如下一代冰立方和KM3NeT，后者也是一個范圍達1立方千米的探測器，將會設(shè)置在地中海水面下3500米處。

迅速分出勝負的打賭

天文學(xué)家最喜歡在天空中尋找他們不知道能不能看到的東西。尼桑克在2007年從巴黎天體物理研究所獲得了物理學(xué)博士學(xué)位，她說，自那以來的每一天，她都在思考怎樣通過光看到引力波源。她在做這個主題的報告時經(jīng)常遭遇尖銳的提問，“天文學(xué)家會說，‘不確定性太大，你得測量極微小的位移，誤差高上天了?！币此麄兙筒惶釂枺珣B(tài)度漠然。“一半聽眾看著我，就像我在做什么事似的，”尼?？苏f，“另一半睡著了?！彼瓦@樣度過了10年。

2017年8月17日，她在阿姆斯特丹的一個會議上做報告，預(yù)言第一個光和引力波的多信使事件可能發(fā)生在21世紀(jì)20年代。她回憶說：“然后有人舉手問，‘薩馬亞，你是不是太樂觀了？”報告后，她和LIGO-印度團隊共進午餐，在此期間，她提高了自己的賭注：“我不（經(jīng)常）打賭，但我敢說我們很快就將看到第一個中子星并合事件?！盠IGO-印度的科學(xué)家打賭說這不會早于2019年，一個“先生/女士握手之賭”，尼?？嘶貞浾f。一個小時之后，LIGO-Virgo探測到了中子星并合。印度團隊的一個成員寫信給她：在下次會議之前，我們來“慫恿一下大自然”，討論一下我們是否會看到中子星-黑洞并合吧。

尼?？送Ｏ铝怂墓适隆！拔掖_實預(yù)言了中子星并合，這個黃金般的雙星系統(tǒng)，但要花幾個小時，我們才真正理解自己看到了什么，”她說，“還將會有更多令人興奮的事，以及更多更多更多的論文。這有趣極了。”

（Scientific American中文版《環(huán)球科學(xué)》授權(quán)南方周末發(fā)表，錢磊翻譯）