作者|高孟嘉
审核|董晨晖、赵经远
编辑|席宇博
本文阅读约需5分钟
多信使天文学的里程碑GW170817
2017年10月16日，多国科学家宣布人类首次直接探测到双中子星合并产生的引力波及其伴随的电磁信号。这次引力波的成功探测不仅进一步证明了引力波的存在，电磁波段的观测更是使其成为了多信使天文学的一座里程碑。
引力波GW170817及其电磁对应体AT 2017gfo的观测数据（图片来源于B. P. Abbott et al 2017 ApJL 848 L12）
引力波是广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动，被视为宇宙中的“时空涟漪”。苏联科学家首先提出了一种探测引力波的方法，即通过用激光相干测量距离的变化。后来美国科学家对这种方法进行进一步改进，并投入大量资金建设LIGO引力波天文台，以对引力波进行直接探测，并在2015年9月14日，首次直接探测到了引力波。在第一次探测到引力波后，人们就把注意力转移到寻找引力波的电磁对应体上，试图通过电磁波这一天文学的传统观测方式获取引力波天体源的更多信息。2017年8月17日，LIGO再次探测到了一例引力波信号GW170817，而费米望远镜在不到2 s的时间内就在同一方向探测到了伽马射线暴信号GRB 170817A；约11小时后，位于智利拉斯坎帕纳斯天文台的斯伍普望远镜（Swope telescope）又在相同区域发现了光学对应体——天文暂现源AT 2017gfo，在此之后，地基、天基的许多观测设施迅速投入对该暂现源的观测中，即使现在已经是2022年，不少探测器仍然时不时地“瞅”它一眼。这是人类第一次同时通过引力波和电磁波对同一天体源进行观测，开启了多信使引力波天文学时代。
GW170817在三个引力波探测器中的信号（图片来源于LIGO）
人类获取天体信息的四种“信使”
人类对天空的最初了解是从可见光开始的，到了1609年，伽利略将望远镜对准天空，使天文观测进入了望远镜时代。19世纪，人类建立起电磁学，将可见光归为电磁波谱中肉眼可见的范围。除了可见光之外，电磁波谱还包含伽马射线、X射线、紫外线、红外线、微波与射电波等多个波段。随着科学技术的发展，人类制造出伽马射线望远镜、X射线望远镜、紫外线望远镜、红外线望远镜、微波探测器、射电望远镜等多种类型的望远镜，使用它们观测天体在不同波段发出的辐射，将天文观测的范围拓宽到了多波段天文学。
伽利略（图片来源于themaestroart.com）
除了电磁辐射以及引力波外，能给我们带来宇宙信息的“信使”还包括中微子和宇宙线。 中微子是在天体的核反应过程中产生的组成自然界的最基本的粒子之一。中微子携带了天体核心的重要信息，但其只参与非常微弱的弱相互作用和引力相互作用，具有强穿透力，很难被探测到。1941年，王淦昌发表《关于探测中微子的一个建议》的文章，提出了中微子的探测方法。1942年6月，美国物理学家艾伦根据王淦昌方案证实了中微子的存在。随后，中微子天文学也登上了历史舞台。
王淦昌（图片来源于中国科学院与“两弹一星”纪念馆）
宇宙线也称为宇宙射线，其中89%是质子，10%是氦原子核（即α粒子），还有1%是其他粒子。这些带电粒子在某些情况下被加速到接近光速，其中一小部分进入地球大气，与大气中的粒子发生碰撞，并产生众多次级粒子。计划今年建成的高海拔宇宙线观测站（LHAASO），位于我国四川稻城，其核心科学目标是探索高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化和高能天体活动，并寻找暗物质；广泛搜索宇宙中尤其是银河系内部的伽马射线源等。
多信使天文学
在前两节中，大家和小星一起简要回顾了人类获取天体信息的四种信使， 它们是由不同的天体物理过程产生的，携带了天体活动的不同信息。如果使用至少两种信使来对同一天体进行观测研究，便称之为“多信使天文学”。
人类已运用多信使天文学探测过许多天体，取得了丰硕的科学成果。除了本文开头所说的引力波GW170817及其电磁对应体AT 2017gfo之外，还有其他几例代表性事件：
早在1942年2月28日，科学家就已发现电磁波段的太阳耀斑也会产生宇宙射线，开启了空间物理学的新分支——太阳宇宙射线物理学。
太阳宇宙射线艺术图（图片来源于ESA）
SNEWS主页
2017年9月22日，冰立方中微子天文台探测到一个高能中微子IceCube-170922A。随后，利用费米空间望远镜及全球各地的20多个望远镜在电磁波段的观测数据，天文学家们揭开了这一高能中微子的来源——耀变体TXS 0506+056。这是人类历史上首次确认高能中微子和高能宇宙线的来源，也是多信使天文学的又一座里程碑。
正在发射中微子和伽马光子的耀变体(图片来源于IceCube/NASA)
2019年10月1日，仍然是冰立方中微子天文台，它探测到了另一个高能中微子IceCube-191001A，而早在6个月前，茲威基暂现源巡天就在相同的区域发现了一个潮汐瓦解事件AT 2019dsg。当恒星距离黑洞过近时，便会被黑洞强大的潮汐力撕碎，恒星被瓦解，释放出巨大的能量，这便是潮汐瓦解事件。天文学家在光学、紫外、X射线和射电波段对AT 2019dsg进行了深入研究，认为AT 2019dsg充当了粒子加速器，很可能是高能中微子IceCube-191001A的来源。
潮汐瓦解事件艺术图（图片来源于NASA/CXC/M. Weiss）
随着引力波被发现，天文学家终于“集齐了”获取天体信息的四种信使，多信使天文学也掀开了崭新的篇章。作为目前天文学的热点领域，多信使天文学仍然大有可为，期待它为我们带来更多惊喜。
END
参考资料：
[1]曹周键.从引力波探测到包含引力波的多信使天文学[J].大学物理,2018,37(02):1-9+21.
[2]李骢.黑洞——开启“多信使”天文学的新时代[J].自然杂志,2019,41(03):219-223.
[3]人类首次发现双中子星引力波[J].信息技术与信息化,2017(10):15.
[4]陈雁北,范锡龙.时空与物质、广义相对论与量子力学的完美结合——深度科普解读双中子星并合多信使观测[J].物理,2017,46(12):817-827.
[5]邹振隆,Imre Bartos.一种新的宇宙信使[J].物理,2018,47(02):69-72.
[6]SuperNova Early Warning System（SNEWS）官网，https://snews.bnl.gov/
[7]Solar Cosmic Rays，http://users.uoa.gr/~cplainak/SolarCosmicRays.htm
[8]SuperNova Early Warning System,Detailed Pedia，https://www.detailedpedia.com/wiki-SuperNova_Early_Warning_System
[9]Multi-messenger astronomy,Detailed Pedia，https://www.detailedpedia.com/wiki-Multi-messenger_astronomy
[10]Winter, W., Lunardini, C. A concordance scenario for the observed neutrino from a tidal disruption event. Nat Astron 5, 472–477 (2021).
[11]Stein, R., Velzen, S.v., Kowalski, M. et al. A tidal disruption event coincident with a high-energy neutrino. Nat Astron 5, 510–518 (2021).
[12]Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert. Science, 13 Jul 2018, Vol 361, Issue 6398, pp. 147-151
以及星明天文台公众号之前的相关推送
有关多信使天文学的更多疑问，欢迎大家在评论区留言，小星会为你一一解答哦~
关注公众号“星明天文台”，和小星一起踏遍星辰，收获浪漫吧~
