多信使天文学的新时代

2017年9月22日下午4点54分，一个中微子击中了地球东部时间。这种几乎没有质量的基本粒子快速通过冰立方中微子观测站的传感器，冰立方中微子观测站是一个埋在南极冰层中的实验场所。这种中微子非常罕见，它携带的能量超过100兆电子伏特，大约是地球上最强大加速器内粒子所能达到的能量的10倍。30秒后，冰立方的计算机发出了一个警报，其中包括中微子的能量、时间和日期，以及它来自天空的大致位置。

马里兰大学帕克分校的冰立方团队成员埃里克·布劳弗斯(Erik Blaufuss)通过短信收到了这一警报，他知道，以这种能量，粒子可能来自太阳系之外。在过去的一年里，Blaufuss已经看到了10个左右的中微子，其能量如此之高，但他认为，“这是一个相当大的事件——让我们把它发送出去吧。”晚上8点09分，他通过一个天文观测网络发布了一则关于这个现在被称为冰立方170922a的粒子的公告。冰立方有5000多个传感器，用于寻找中微子与冰中的原子相互作用产生的闪光，可以追踪闪光的路径，追溯到粒子在天空中的起源。布劳弗斯希望夜间的通知能“吸引观测者上线”，这些天文学家可以观察到中微子来自天空的同一区域。如果他们真的幸运的话，他们可能会找到发射它的星系或其他天体。

中微子只是天空中闪光、撞击、撞击、震颤和发光的众多事物中的一种。很长一段时间以来，天文学家只能看到那些发光的，发光的。然后，大约在30年前，他们开始探测到来自太阳系外的微小中微子撞击。自2015年以来，他们已经能够探测到滚动的重力波。但将这些不同的信号结合起来研究单个物体——一种被称为多信使天文学的技术——基本上是最近才发展起来的。

多信使天文学的一大优势在于，与光不同的是，电磁波可以被反射、吸收和误导，从而掩盖其来源的信息，几乎没有什么能阻止引力波或中微子。它们传递的信息是纯洁的;它直接以光速或接近光速入射。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、难以言喻的强烈困惑。它们被预言了，却没有被看见，被看见了，却没有被理解，或者以任何其他方式看不见。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。“这些信息来源很复杂，”威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家、冰立方的首席研究员弗朗西斯·哈尔岑(Francis Halzen)说。“除非你有很多方法来看待它们，否则你不会弄明白它们。”

德州源

在布劳弗斯发出冰立方通知的四天后，斯威夫特天文台的x射线空间望远镜的科学家报告说，自警报发出以来，他们数到天空中有9个发射x射线的物体来自冰立方- 170922a。

就在两天之后的9月28日上午6点10分，对伽马波长敏感的费米轨道望远镜报告说，在IceCube-170922A和斯威夫特的第二个x射线源的同一位置出现了伽马射线。NASA戈达德太空飞行中心费米小组的成员萨拉·布森(Sara Buson)和她的同事发布了一份公告，称伽马射线源已经为人所知，并被命名为TXS 0506+056，天文学家后来给它起了个绰号“德克萨斯射线源”。Buson说:“这非常令人兴奋。”“中微子正好在伽马的上方，这是我们第一次遇到如此美妙的巧合。”在之前的两周，Buson的通知说，Fermi已经看到德克萨斯源的爆发是原来的六倍。

就在当天下午2点，从事ASAS-SN(读作“刺客”)调查的科学家们宣布，在过去50天里，德克萨斯州的辐射源实际上一直在变亮，是几年来最亮的。第二天，9月29日上午9点，另一架光学望远镜发现，德克萨斯州的辐射源是一颗耀辉，这是一个星系中心的超大质量黑洞，当物质落入其中时，它会偶尔爆发，向我们发射喷流。然后，在10月17日，新墨西哥州的甚大阵列在无线电波长下工作，证实了光来自blazar的喷流。

blazar已经很有名了，但还没有在多个波长中观测到，并同时被确定为中微子的来源。更有趣的是，德克萨斯源也是高能中微子第一次在空间和时间上与同样高能的伽马射线光子重合。Halzen指出，在整个天空中，高能中微子的数量和伽玛射线光子的数量大致相同，所以“显而易见的是，”他说，“这意味着你可以看到相同的源。”佛罗里达大学的物理学家Imre Bartos说，数字上的相似是“一个显著的、具有启发性的巧合”。但Halzen补充说，暗示它们来自相同的宇宙物体，来自blazar，“是一个很长的推断。”尽管如此，中微子的发现可以帮助科学家区分关于blazars如何加速喷射到这样的能量的不同理论。“这是很好的第一步，”巴托斯说，“但我们需要更多的多信使观测。”

一个漫长的等待

第一个不是光的信使是中微子。它来自于1987年2月的超新星1987a -一颗濒死的恒星，其核心在自身重力的作用下坍缩，然后爆炸。科学家们在日本、美国和俄罗斯总共探测到了25个中微子。三小时后，冲击波穿透恒星表面，发出可见光。到11月，x射线和伽马射线来自衰变的放射性元素，红外光来自新的重元素，所有这些都是在爆炸中产生的。“超新星1987A”帮助天文学家了解了这种类型的超新星爆炸的方式，冰立方小组成员、宾夕法尼亚州立大学的物理学家道格·考恩(Doug Cowen)说，以及爆炸能量的大部分是如何以中微子的形式产生的。那是30年前的事了，哈尔森说，“从那时起，我们就一直在等待。”IceCube-170922A中微子与德克萨斯源的巧合——最终被至少19个仪器在伽马射线、x射线、光学和无线电波长中观测到——现在形成了第二次中微子多信使事件。

中微子可能是优秀的信使，但最奇怪的是引力波。这些曾经只存在于理论领域，这是一个世纪前爱因斯坦广义相对论的预言。该理论解释了一个质量对另一个质量的吸引力——苹果对地球的吸引力——通过提出质量使其周围的时空弯曲;质量越大，曲率越深。苹果并没有落到地球上，而是沿着地球质量在时空中形成的曲率螺旋下降。该理论继续预测，如果一个质量加速，曲率会以波的形式向外移动。波是时空本身的压缩和拉伸。因此，如果引力波穿过哥伦比亚大学的物理学家绍博尔克斯·马尔卡(Szabolcs Marka)的身体，他“会更高更瘦，”他说，“然后又矮又宽。”

广义相对论被广泛接受，科学家间接地看到了由恒星和星系大小的质量所预测的曲率。然而，引力波本身并没有被观测到。2014年，物理学家们升级了一项名为激光干涉引力波天文台(LIGO)的实验:两个天文台，每一个都有两个4公里长的管，彼此成直角。激光从每根管子的一端射出，首先击中另一端的镜子，然后反弹回来，它的传播是计时的。通过LIGO的引力波会压缩和拉伸管子，这样激光器的旅行时间就会改变十分之一²¹马尔卡说，这意味着这个4公里长的管道的直径将改变一个质子直径的万分之一，这就像改变美国国家债务的百万分之一美分。

即使有如此高的精度，LIGO也只能探测到来自密度和质量极高的源的引力波，比如中子星:掉落的苹果也会产生引力波，但将苹果波与中子星的引力波进行比较并没有什么意义。LIGO的分辨率——它在天空中定位源的能力——已经足够好了，但仍然很糟糕。有三个探测器，一个在美国的两侧，另一个在意大利的处女座，科学家可以追踪引力波到几十度以内(满月的宽度是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，这就像向天空挥手说，“它可能就在那边的某个地方。”

2015年9月14日至2017年8月14日，LIGO-Virgo探测到了5个不同的引力波源，每一个都是由两个黑洞合并成单个黑洞的碰撞产生的。这些观测是成功的——第一次直接证明了引力波的存在，也证明了黑洞本身的存在。但它们不是多信使天文学。黑洞是黑色的，是单信使事件。目前的观点是，它们的密度如此之大，以至于光无法逃脱它们，所以它们的合并只能通过引力波被探测到。没有人期望从这些碰撞中看到光或中微子，尽管许多探测器都在观测，但都没有。

宇宙崩溃

然后，在8月14日黑洞合并探测的三天后，发生了一件事，成为多信使天文学的典型代表。2017年8月17日，LIGO-Virgo探测到了引力波。仅仅1.74秒后，费米望远镜就看到了伽马射线的爆发。这次被称为GW170817的事件似乎不是由黑洞，而是由密度最大的恒星——中子星——的碰撞和合并造成的。

中子星是过去超新星坍缩的核心，其密度如此之大，以至于它们所有的质子和电子都挤压在一起形成了中子;它们是质量不足以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于两颗恒星相撞前的激波，然后它们炽热的合并产生了伽马射线——宾夕法尼亚州立大学的Peter Mészáros说，那时“一切都失控了”。

在接下来的24小时里，马里兰州天文学家m·科尔曼·米勒说，“就像把生肉扔进熊坑一样”，地面和天空中所有频率光的探测器争相观测信号。他们确定了合并与附近一个名为NGC 4993的星系的位置，并观察到它的大部分光线立即消退。

然而，红外光一直亮到第三天，这表明当恒星合并时，它们会喷出碎屑，其中形成了最重的化学元素。在接下来的几个星期里，x射线和射电光也变亮了，这意味着一架接近光速的喷气式飞机正在穿过喷出物。然而，没有中微子穿过，所以喷流一定不是针对我们的;霍尔岑说，中微子探测器“如果它指向我们的方向，肯定会看到”。把这些信使放在一起，就证明了一种预测到但从未见过的现象:两颗中子星的爆炸碰撞，称为千新星。最后阶段要么是另一颗中子星，一颗正在变成黑洞的中子星，要么是黑洞。

kilonova发射两个月后，天文学家向全世界宣布了170817号卫星。2017年10月16日，发表科学学术论文预印本的网站arXiv.org收到了67篇论文。在两个月内，论文数量大约翻了一番:“arXiv太多了，”德州理工大学的亚历山德拉·科西说。“我很难跟上进度。”

就这样，天文学上的几个未解决的问题就像被拍死的苍蝇一样消失了。这种特殊的伽马暴已经出现了几十年，但其来源一直没有被直接确定，现在人们知道它来自中子星合并。荷兰内梅亨大学(Radboud University)的Samaya Nissanke说，现在人们第一次认识到千罗威是宇宙中大部分最重元素的诞生地，包括铂、铀和“大约100个地球质量的黄金”。在之后的几个星期里，化学家们不得不重新排列元素周期表上的元素来源。此外，引力波形式的细节使人们对广义相对论提出的解释暗物质存在的一系列替代方案产生了怀疑——可能排除了宇宙存在于超过四维空间的替代方案。

和往常一样，这一发现带来了同样多的问题。天文学家想知道中子星合并后会发生什么。他们希望看到中子星与黑洞合并，并发现喷流是如何产生的，以及它们的动力是什么。他们仍然不知道恒星的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其他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，科学家们还设想了一大批新的多信使探测器。LIGO在日本和印度都有兄弟公司正在建设中。激光干涉空间天线(LISA)将是一个轨道引力波探测器，计划于21世纪30年代发射;它的臂是在三个航天器之间快速移动的激光器，它们排成一个三角形，边长约100万公里。新的高能中微子探测器正在研制中，包括下一代冰立方和KM3NeT, KM3NeT是位于地中海3500米深处的一个立方公里的传感器。

的赌注

与此同时，天文学家最喜欢在天空中发现他们不确定是否会看到的东西。尼桑克在2007年获得了巴黎天体物理研究所的物理学博士学位，她说，从那以后，她每天都在思考如何看到引力波的光源。她会就这个主题发表演讲，也会得到一些关键性的问题。“天文学家会说，‘你有巨大的不确定性，你在测量微小的位移，你有巨大的天空误差。’”当他们不提问时，他们就会无动于衷:“一半的观众会看着我，好像我在嗑药一样，”尼桑克说。“另一半在睡觉。”她这样做了10年。

2017年8月17日，她在阿姆斯特丹的一次会议上发言时预测，光和引力波的第一次多信使事件将在本世纪20年代发生。她说:“大家都举手了，‘Samaya，你是不是太乐观了?’”谈话结束后，她与LIGO-India财团共进午餐，期间她加大了赌注:“我(通常)不会打赌，但我说我认为我们会看到第一次中子星合并。”尼桑克说，LIGO-India上的科学家们说，在2019年之前不会，并押下了这个“绅士/女人握手的赌注”。一个小时后，LIGO-Virgo观测到了中子星合并。一位联盟成员给她写信说:在下次会议之前，让我们“诱惑自然”，讨论一下我们是否会看到中子星-黑洞合并。

尼桑克在她的故事中停顿了一下。她说:“我确实预测到了中子星的并合，这对黄金双星，但几个小时后我们才明白我们真的看到了它。”“会有更多令人兴奋的事情发生，会有更多、更多、更多的论文出现。这是非常有趣的。”