多信使天文学的新纪元

2017年9月22日下午4:54（美国东部时间），一个中微子击中了探测器。这个几乎没有质量的基本粒子冲过南极冰层下的冰立方中微子天文台的传感器。这个中微子很罕见，携带的能量超过100太电子伏特，大约是地球上最强大的加速器内部粒子可达能量的10倍。30秒后，冰立方的计算机发出了警报，内容包括中微子的能量、时间和日期，以及大致的来源方向。

在马里兰大学帕克分校，冰立方团队成员埃里克·布劳夫斯通过短信收到了警报，他知道，以这种能量来看，这个粒子可能来自太阳系之外。布劳夫斯在过去一年中已经看到了大约10个能量如此高的中微子，但他想，“这是一个相当不错的事件——让我们把它发布出去。” 晚上8:09，他通过天文学的头部网络之一发布了关于该粒子的公开通知，现在该粒子被称为IceCube-170922A。冰立方超过5000个传感器，用于寻找中微子与冰中原子相互作用时产生的闪光，可以追踪闪光的路径，从而确定粒子在天空中的起源。布劳夫斯希望夜间通知能够“吸引上线观测者”，即那些可以观察中微子来源的同一片天空区域的天文学家。如果他们真的幸运，他们可能会找到发出中微子的星系或其他天体。

中微子只是天空中众多闪耀、鸣响、爆炸、震动和发光的事物之一。长期以来，天文学家主要可以看到那些发光的物体，即发射光的物体。然后，大约在30年前，他们开始探测到来自太阳系以外的中微子的微小撞击。自2015年以来，他们已经能够探测到滚动的引力波。但是，将这些不同的信号结合起来研究单个物体——一种称为多信使天文学的技术——主要还是近期的发展。

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多信使天文学的一大优势是，与光——一种会被反射、吸收和误导的电磁波，从而掩盖其来源的信息——不同，几乎没有什么能阻止引力波或中微子。它们携带的信息是纯粹的；它直接以接近光速的速度传入。另一个优点是，它们的来源——碰撞的黑洞、坍缩的超新星或合并的中子星——是短暂的、难以言喻的剧烈而又令人费解的现象。它们曾被预测但未被观测到，曾被观测到但未被理解，或者无论如何都是不可见的。但是，有了更多的信使，天文学家终于可以理解这些复杂的现象。“这些来源很复杂，”威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家、冰立方首席研究员弗朗西斯·哈尔岑说。“除非你有多种观察它们的方式，否则你无法弄清楚它们。”

德克萨斯源

在布劳夫斯发出冰立方通知四天后，斯威夫特天文台的X射线太空望远镜的科学家报告说，自警报发出以来，他们已经在IceCube-170922A来源的天空区域中数出了九个发射X射线的物体。

就在那之后两天，9月28日上午6:10，费米轨道望远镜（对伽马波长敏感）报告说，在与IceCube-170922A和斯威夫特天文台的第二个X射线源相同的位置发现了伽马射线。美国宇航局戈达德太空飞行中心的费米团队成员萨拉·布松和她的同事们发布了一份公开通知，称伽马射线源是已知的，名为TXS 0506+056，天文学家后来给它起了个绰号“德克萨斯源”。“这非常令人兴奋，”布松说。“中微子正好位于伽马射线之上，这是我们第一次有如此美妙的巧合。” 布松的通知中说，在之前的两周里，费米观测到德克萨斯源的耀斑爆发系数达到了六倍。

在同一天下午2:00，一个名为ASAS-SN（发音为“刺客”）的巡天项目（在光学波长下运行）的科学家宣布，德克萨斯源实际上在过去50天里一直在变亮，并且是近几年最亮的。第二天，9月29日上午9:00，另一台光学望远镜发现德克萨斯源是一个耀变体，这是一个位于星系中心的超大质量黑洞，当物质落入其中时会零星地爆发，并向我们笔直喷射出喷流。然后在10月17日，位于新墨西哥州的甚大阵射电望远镜（在射电波长下运行）证实，光线来自耀变体的喷流。

耀变体早已为人所知，但从未在多个波长下被观测到，也从未被同时确认为中微子的来源。更有趣的是，德克萨斯源也是首次高能中微子在空间和时间上与类似的高能伽马射线光子重合。哈尔岑指出，在整个天空中，高能中微子的数量和伽马射线光子的数量大致相同，因此“显而易见的是，”他说，“这意味着你可能看到的是相同的来源。” 佛罗里达大学的物理学家伊姆雷·巴托斯说，数量上的相似性是“一个引人注目且具有暗示性的巧合”。 但哈尔岑补充说，它们来自相同的宇宙物体——耀变体——的推论“是一个漫长的推断”。尽管如此，中微子的发现可能有助于科学家区分关于耀变体如何设法将其喷流加速到如此高能量的不同理论。“这是一个良好的第一步，”巴托斯说，“但我们需要的是更多的多信使观测。”

漫长的等待

第一个非光的信使是中微子。它于1987年2月来自超新星1987A——一颗垂死恒星，其核心在自身引力的作用下坍缩，然后爆炸。总共，科学家在日本、美国和俄罗斯探测到了25个中微子。三小时后，光学光从穿透恒星表面的冲击波中发出。到11月，来自衰变放射性元素的X射线和伽马射线以及来自爆炸中产生的新重元素的红外光也到达了。宾夕法尼亚州立大学的物理学家道格·考恩（他是冰立方团队成员）说，超新星1987A帮助天文学家了解了这种类型的超新星爆发的方式，以及大部分爆炸能量如何以中微子的形式释放出来。哈尔岑说，那是30年前的事了，“从那以后我们一直在等待。” IceCube-170922A中微子与德克萨斯源的巧合——最终至少被19个仪器在伽马射线、X射线、光学和射电波长下观测到——现在使其成为第二个中微子多信使事件。

中微子可能是优秀的信使，但最奇特的信使是引力波。这些信使曾经只存在于理论领域，是阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论的一个世纪前的预测。该理论通过提出质量弯曲了周围的时空来解释一个质量对另一个质量的吸引力——苹果对地球的吸引力；质量越大，曲率越深。苹果与其说是掉到地球上，不如说是沿着我们星球质量在时空中造成的曲率螺旋下降。该理论接着预测，如果一个质量加速，曲率会以波的形式向外移动。这些波是时空本身在压缩和拉伸。因此，例如，如果一个引力波穿过哥伦比亚大学物理学家绍博尔奇·马尔卡的身体，他“会变得更高更瘦，”他说，“然后变得更矮更宽。”

广义相对论被广泛接受，科学家们已经间接地看到了恒星和星系大小的质量造成的预测曲率。然而，引力波本身尚未被观测到。2014年，物理学家们升级了一个名为激光干涉引力波天文台（LIGO）的实验：两个天文台，每个天文台都有两个相互垂直的四公里长的管子。从每个管子的一端射出的激光首先击中另一端的镜子，然后反射回来，并记录其传播时间。穿过LIGO的引力波会压缩和拉伸管子，从而使激光的传播时间改变百万亿分之一（10²¹分之一），这意味着四公里长的管子将改变质子直径的万分之一，马尔卡说，这就像将美国国债改变百分之一百万分。

即使具有如此非凡的精度，LIGO也只能探测到来自极度密集和巨大质量来源的引力波，例如中子星：掉落的苹果也会产生引力波，但将苹果的引力波与中子星的引力波进行比较是没有意义的。LIGO的分辨率——其在天空中定位来源的能力——已经尽可能好，但仍然很糟糕。借助三个探测器，一个在美国一侧，一个在美国另一侧，第三个是位于意大利的室女座探测器，科学家可以将引力波追溯到几十度范围内（满月直径为0.5度）。加州大学圣巴巴拉分校的安迪·豪厄尔说，对于天文学家来说，这就像对着天空挥挥手说，“它可能在那边。”

在2015年9月14日至2017年8月14日期间，LIGO-Virgo探测到五个不同的引力波源，每个引力波源都是由两个黑洞碰撞合并成单个黑洞产生的。这些都是辉煌的观测——不仅是引力波的首次直接证据，也是黑洞本身存在的首次直接证据。但它们不是多信使天文学。黑洞是黑色的，是单信使事件。目前的普遍看法是，黑洞非常密集，以至于光无法逃脱，因此它们的合并只能通过引力波探测到。没有人期望从这些碰撞中看到光或中微子，尽管许多探测器进行了观测，但都没有探测到。

宇宙碰撞

然后，在8月14日黑洞合并探测事件发生三天后，发生了一起成为多信使天文学海报的事件。2017年8月17日，LIGO-Virgo探测到引力波。仅仅1.74秒后，费米望远镜观测到了伽马射线暴。该事件被称为GW170817，似乎是由碰撞和合并产生的，但不是黑洞，而是最密集的恒星：中子星。

中子星是过去超新星的坍缩核心，非常致密，以至于它们所有的质子和电子都被挤压在一起形成中子；它们是不够大到形成黑洞的恒星的最终状态。LIGO-Virgo观测到的引力波可能来自两颗恒星在碰撞前的螺旋式靠近，而伽马射线暴则来自它们猛烈的合并——当时“一切都乱了套”，宾夕法尼亚州立大学的彼得·梅萨罗斯说。

在接下来的24小时内——“就像把生肉扔进熊坑一样，”马里兰州天文学家M·科尔曼·米勒说——地面和天空中的所有频率的光探测器争先恐后地观测信号。他们将合并事件精确定位到附近一个名为NGC 4993的星系，并观测到其大部分光线立即消退。

然而，红外光一直持续增强到第三天，这表明当恒星合并时，它们喷射出碎屑，其中最重的化学元素正在形成。在接下来的几周里，X射线和射电光也变亮了，这意味着一条接近光速的喷流正在穿过喷射物。然而，没有中微子穿过，因此喷流一定没有对准我们；哈尔岑说，中微子探测器“如果它指向我们的方向，肯定会看到它”。综合来看，这些信使证明了一种被预测但从未见过的现象，更不用说实时观测到的现象：两颗中子星的爆炸性碰撞，称为千新星。最终阶段可能是另一颗中子星、一颗正在变成黑洞的中子星，或者一个黑洞。

千新星发生两个月后，天文学家向世界宣布了GW 170817。在那一天，2017年10月16日，arXiv.org（一个发布科学学术论文预印本的网站）收到了67篇论文。两个月后，论文数量大约翻了一番：“arXiv太多了，”德克萨斯理工大学的亚历山德拉·科尔西说。“我很难跟上。”

就这样，天文学的几个未解决的问题就像苍蝇一样被拍死了。特定类型的伽马射线暴，一种已经被观测了几十年但其来源从未被直接确定的类型，现在已知来自中子星合并。千新星现在首次被理解为宇宙中最重元素（包括铂、铀和“大约100个地球质量的黄金”）的诞生地，荷兰拉德堡德大学的萨玛雅·尼桑克说。在随后的几周里，化学家不得不重新调整他们元素周期表上元素来源的列表。此外，引力波形式的细节使人们对为解释暗物质的存在而提出的广义相对论的替代方案产生了怀疑——可能排除了宇宙存在于四个以上维度的替代方案。

与往常一样，这一发现也引出了同样多的问题。天文学家想知道中子星合并后会发生什么。他们想看到中子星与黑洞合并，并发现喷流是如何产生的以及是什么驱动着它们。他们仍然不知道恒星核心是如何坍缩成超新星的，他们想观察星系中心的超大质量黑洞与另一个星系中心的超大质量黑洞合并。

因此，除了大量新的和计划中的光探测器外，科学家们还设想了大量新的多信使探测器。LIGO在日本和印度有正在建设中的姊妹设施。激光干涉空间天线（LISA）将是一个轨道引力波探测器，计划于2030年代发射；它的臂是激光，在三个航天器之间快速移动，这三个航天器排列成一个三角形，边长约为一百万公里左右。新的高能中微子探测器也在研制中，包括下一代冰立方和KM3NeT，一个立方公里的传感器，位于地中海海面下3500米处。

打赌

与此同时，天文学家最喜欢做的事情莫过于在天空中找到他们不确定是否会看到的物体。尼桑克于2007年在巴黎天体物理研究所获得了物理学博士学位，从那时起，她说，她每天都在思考如何用光来观测引力波的来源。她会就此主题发表演讲，并会受到批评性质的提问。“天文学家会说，‘你的不确定性很大，你测量的位移很小，你的天空误差很大。’” 当他们不提问时，他们就显得不以为然：“一半的听众会看着我，好像我嗑了药一样，”尼桑克说。“另一半都睡着了。” 她这样做了10年。

2017年8月17日，在阿姆斯特丹的一个会议上发言时，她预测第一个包含光和引力波的多信使事件将在2020年代到来。“然后就有人举手了，”她说：“‘萨玛雅，你是不是太乐观了？’” 演讲结束后，她与LIGO-India联盟共进午餐，期间她提高了赌注：“我[通常]不赌博，但我说我认为我们会看到第一次中子星合并。” LIGO-India的科学家说不会早于2019年，并接受了这个赌注，这是一个“君子/淑女的握手赌注”，尼桑克说。一小时后，LIGO-Virgo观测到了中子星合并。联盟的一名成员写信给她：在下一次会议之前，让我们“引诱自然”，谈谈我们是否会看到中子星-黑洞合并。

尼桑克在讲述她的故事时停顿了一下。“我确实预测了中子星的合并，这个黄金双星，但过了几个小时我才意识到我们真的看到了它，”她说。“未来会有更多的兴奋和更多更多的论文。这真是太有趣了。”