天體粒子物理與宇宙學

多信使天文學(multi-messenger astronomy)

縱觀歷史,天文學一直意味著觀看——收集光,無論是可見光、無線電、X 射線還是其他波長。但宇宙寄給我們的不止是光。它還寄來一股股粒子(宇宙射線和微中子),並且自 2015 年起,還有空間本身這塊織物上的漣漪(重力波)。這每一樣都是一種不同的信使,從一樁宇宙事件中帶來不同的資訊。多信使天文學,就是同時捕捉來自同一樁事件的兩種或更多信使,再把它們合起來,以了解遠超任何單一渠道所能揭示的內容。

四種信使是光、微中子、宇宙射線和重力波,每一種講述故事的不同部分。光展示一個天體的表面和周遭;微中子從隱蔽的核心逃出;重力波揭示大質量天體的劇烈運動;宇宙射線則昭示有粒子被加速到了極端的能量。力量來自把它們合起來。當單單一樁事件觸發了兩台探測器——比方說,同一片天區在同一時刻既有一陣微中子又有一道光——物理學家就能確信它們出自同一個源,釘定它的位置,並用任何單台儀器都無法提供的觀測去交叉檢驗理論。

里程碑式的時刻發生在 2017 年:重力波探測器感受到了兩顆中子星相撞,幾秒之內,全世界的望遠鏡便轉向了同一處,捕捉到了這場爆炸的光。那一樁事件確認了這類碰撞會鍛造出黃金一類的重元素,把重力波的速度與光相比對,等等——這一切單靠任何一種信使都無法做到。對粒子物理而言,多信使天文學是把宇宙當作實驗室這一思路的自然頂點:那些既加速粒子又發出微中子的劇烈天體,如今被同時在幾個渠道裡觀測著,把整片天空變成了一場共享的實驗。

2017 年,那場被稱為 GW170817 的中子星併合,先是以重力波的形式被感受到,接著被看到是一次伽馬射線暴,隨後在天空中被從無線電到 X 射線的各種光追蹤了數週——同一樁事件,被許多不同的信使同時解讀。

光、粒子和時空漣漪——合在一起解讀。

多信使天文學之所以困難,恰恰因為這些信使的傳播與行為方式如此不同:微中子幾乎筆直地從源頭抵達,但宇宙射線的路徑會被磁場彎折,所以要把不同信號匹配到同一個天體,需要細緻的時間與方向分析,而清晰的雙信使探測至今仍然稀少。

又稱
multi-messenger observation多信使观测多信使觀測