描繪一幅完整的宇宙圖景，我們需要哪些「信使」？

當地球還處於嬰兒時期的時候，一個距離我們37億光年遠的耀變體正處於劇烈的活躍期。在耀變體的中心是一個超大質量黑洞，它噴射出的帶有光子和中微子的粒子流，以接近光的速度朝向地球飛馳。經過了漫長歲月的傳播，這些高能中微子最終抵達了地球，並於2017年9月，被南極洲的冰立方天文台捕捉到。這讓科學家第一次追蹤到了高能中微子的源頭，解決了困擾天文學家一個世紀之久的謎題。2018年7月12日，科學家宣布了這一發現。

耀變體是一個巨大的橢圓星系，在星系的中心是一個快速旋轉的超大質量黑洞。這幅藝術設想圖描繪了一個耀變體輻射出了中微子和伽瑪射線，被冰立方中微子天文台以及其他地球和空間望遠鏡探測到。| 圖片來源：IceCube/NASA

而就在冰立方天文台（IceCube）探測到高能中微子的前一個月，位於美國和義大利的引力波天文台LIGO和Virgo探測到了愛因斯坦早在一百年前就預言存在的引力波。相比於2015年探測到的由雙黑洞合併輻射出的引力波，這次的引力波則是由兩顆只有城市大小、但質量卻比太陽還大的中子星合併而輻射出來的。而更令人驚喜的是，雙中子星合併不僅輻射出了引力波，還釋放出了電磁波信號！

2017年10月16日，LIGO宣布了雙中子星合併輻射的引力波。就在宣布的那一天，就有84篇相關的科學論文發表。

這兩次天文學上的重大發現，掀開了天文學的新篇章——多信使天文學時代的到來。

什麼是多信使天文學？

在日常生活中，我們會根據不同的信號來解釋周圍的世界，比如聲波和光（一種電磁波）。每一種信號都可能由不同的「信使」攜帶。新的信使能帶來新的見解。因此，科學家熱切地想要懷抱不同的新信使。

過去，天文學家主要依靠單一的信使——電磁輻射傳輸的信號來對宇宙進行觀測。人眼可接收到的電磁輻射，波長大約在380至780納米之間，稱為可見光。波長更長但能量更低的有紅外線、微波和無線電波；波長更短但能量更高的有紫外線、X-射線和伽瑪射線。當我們通過不同波段的視角去觀測宇宙時，觀測到的現象也有所不同，這有助於我們獲取更全面的信息。

通過不同的波段，我們能夠看到在銀河系內發生的不同現象。| 圖片來源：NASA

除了電磁波之外，科學家也研究其他的信使：

宇宙射線：以接近光速運行的帶電高能粒子；

中微子：不帶電的粒子，幾乎可以穿透任何物體；

引力波：空間和時間的結構中產生的漣漪。

獲取「全套感官」

過去，我們只能通過其中的一種信使來研究那些遙遠的事件，直到去年，天文學家才能同時在超過一種信使的情況下觀測到那些銀河系之外的事件。在短短几個月的時間裡，天文學家能夠拼湊的來自不同信使的信號源翻了一倍。

多信使天文學是天文學自然而然的變遷與進步的結果。科學家需要不同的數據才能更完整的理解宇宙的運作方式，如此才能更好的檢驗他們所發展出來的理論是否符合觀測。

從前，天文學家只能結合不同波長的光子來揭開宇宙的奧秘。例如，在1951年的時候，射電和光學波段數據的結合，就在確定銀河系是否為一個螺旋星系中扮演了至關重要的角色。

即使在過去我們只有光子這一個信使的情況下，天文學也在不斷地為我們揭示宇宙所蘊含的偉大秘密。因此，如果多信使天文學只是已經成就斐然的天文學史上出現的一個進階，這是否意味著它也只不過是一個時下流行的新鮮詞而已？

天文學家認為，絕對不是這樣。

想像一下，你正沿著海邊漫步，欣賞著令人難以置信的日落，聽著滾滾的海浪，感受著腳下軟綿的沙子，聞著空氣中鹹鹹的味道。是這些綜合的感官，才給予了你一個更加完整的海邊體驗。

而多信使天文學就好比讓我們把視覺、聽覺、觸覺和嗅覺都結合起來了一樣，讓我們用更完整的視角去探索宇宙。

學科間的融合

天文學家和粒子物理學家的文化代表了不同的科學方法。在多信使天文學中，這些文化會相互碰撞。

天文學是一個觀測領域，而不是實驗。我們研究的是隨時間變化（時域天文學）的天體，這意味著，我們通常只擁有一次觀測一個短暫的天文事件的機會。

直到最近，大多數時域天文學家都以小組形成工作，同時從事許多項目的研究。他們會利用《天文學家電報》或《伽瑪射線協作網路》等資源，就能迅速傳達最新結果，甚至還能出現在正式提交科學論文之前，大家就已經知道結果的情況。

由於大多數多信使信號的預期來源都是來自短暫的天文事件，因此除了光子之外，捕捉不同信使的信號也是一項需要付出巨大努力的工作。

粒子物理學家為了解決他們領域的那些最棘手的問題，一直有開展大規模國際合作的傳統——大型強制對撞機（LHC）、冰立方中微子天文台（IceCube）和激光干涉引力波天文台（LIGO）都是非常成功的範例。為了實現共同的目標，成百上千的研究人員各司其職，嚴格地遵循著開放的交流模式。

對多信使源的快速變化作出反應的高需求，以及為捕獲多信使信號所需付出巨大的努力，都意味著粒子物理學和天文學必須相互融合，以此激發兩種文化的精華。

2017年9月22日，IceCube向國際天文聯合會報告了探測到高能中微子的預警，在地球和太空中的約20個天文台進行了後續觀測。文章開頭提到的兩次重大發現，都是全球協作而取得的驚人成就。| 圖片來源：Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube

未來可期

多信使天文學是天文學家與粒子物理學家幾十年來工作的演化，它們結合起來的結果是振奮人心的。例如，就在探測到雙子星合併的100秒間，科學家就獲得了許多驚人的成果和發現：

我們對元素周期表中元素起源的了解幾乎在一夜之間就改變了，地球上（以及整個宇宙）的大量黃金和鉑都是在碰撞的過程中產生的；

引力波和電磁輻射的到達幾乎發生在同一時刻，使我們能夠更好地測量事件的距離；

提供了另一個方法來測量宇宙的膨脹速度；

確認了引力波的傳播速度與光速一致；

短伽瑪射線爆的起源之謎至少被部分解決了；

雙中子星合併的最終質量是太陽質量的2.7倍，而且越來越多的證據表明，雙中子星最終合併成了一顆低質量的黑洞。

元素起源在一夜之間被改寫。詳見：《元素是如何形成的？》| 圖片來源：Jennifer Johnson/SDSS

同樣地，中微子事件的探測，也讓我們學習到很多：

耀變體已經被證明至少是宇宙射線的一個來源；

為了加速中微子，需要衰變的π介子，而π介子是由加速的質子產生的；

這為黑洞加速質子提供了第一個確鑿證據；

這也證明了耀變體TXS 0506+056是宇宙中最明亮的光源之一；

最後，通過伴隨中微子的宇宙射線，我們可以確定，宇宙中微子與宇宙射線至少有時候具有共同的起源。

多信使天文學整為我們揭示著宇宙中的一些最極端的情況。我們完全有理由期待，多信使天文學將為我們帶來更多令人驚訝的發現。

編譯：Zwicky

參考鏈接：

https://theconversation.com/new-era-of-astronomy-uncovers-clues-about-the-cosmos-100155

https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20180817

https://icecube.wisc.edu/news/view/586

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