□ 夏 寒

探索宇宙的途徑（下）

□ 夏 寒

人類自從誕生以來，就對(duì)星空充滿好奇。在遠(yuǎn)古時(shí)代，人們只能通過眼睛觀看星空，有時(shí)為了實(shí)現(xiàn)某種觀測(cè)目的，還建造了一些簡(jiǎn)單的測(cè)量設(shè)施，例如，英國(guó)的巨石陣。1609年，意大利天文學(xué)家伽利略制作了天文望遠(yuǎn)鏡，揭開了近代天文觀測(cè)研究的新篇章。20世紀(jì)30年代，誕生了射電天文觀測(cè)，認(rèn)識(shí)宇宙又添新方法。如今，紅外天文觀測(cè)、X射線天文觀測(cè)等逐步被天文學(xué)家利用，不過，這些探測(cè)的途徑都是天體發(fā)射的電磁波。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，天文學(xué)家還設(shè)計(jì)出多種觀測(cè)和探測(cè)設(shè)備，接收來自遙遠(yuǎn)天體的宇宙射線、中微子和引力波，這些方法大大拓寬了人類認(rèn)識(shí)宇宙的途徑。尤其是從20世紀(jì)50年代以來，人類進(jìn)入空間探測(cè)時(shí)代。自此，人類發(fā)射空間探測(cè)器，到某天體附近或者著陸該天體對(duì)其進(jìn)行直接探測(cè)。每一種新途徑的產(chǎn)生，都會(huì)縮短人類與宇宙奧秘之間的距離。

5億光年之外的武仙座星系團(tuán)（Abell 2151）。版權(quán)：Ken Crawford

來自宇宙深處的天體使者——宇宙線

上篇提及的觀測(cè)對(duì)象都是電磁波，而宇宙射線（簡(jiǎn)稱宇宙線）是來自宇宙深處的物質(zhì)粒子，包括各種原子核和孤單的電子。各種原子核約占宇宙線總量的99%，電子約占1%。在多種原子核宇宙線中，約90%為質(zhì)子（氫原子核），α粒子（氦原子核）約占9%，各種重元素原子核約占1%。另外，還有極少量的正電子和反質(zhì)子。

除電磁波之外，宇宙線是宇宙天體送來的最易被人類發(fā)現(xiàn)的使者，它們攜帶了宇宙天體的寶貴信息，是我們了解宇宙的重要途徑?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)宇宙線來自太陽系外甚至銀河系外，主要發(fā)射天體源為超新星、活動(dòng)星系核、類星體和γ暴源等。1951年天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)來自蟹狀星云的宇宙線，2009年天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)來自射電星系半人馬-A附近的宇宙線。探測(cè)宇宙線可以使得科學(xué)家更好地掌握相關(guān)宇宙天體或天體現(xiàn)象的物理本質(zhì)。

1912年奧地利科學(xué)家赫斯（Victor Franz Hess）乘坐氣球，飛上5350米的高空，首次確定探測(cè)到宇宙線。之后，科學(xué)家不斷發(fā)展宇宙線的探測(cè)方法。一般說來，現(xiàn)階段仍然利用氣球和衛(wèi)星，將儀器帶到地球高空或者太空探測(cè)來自遙遠(yuǎn)天體的宇宙線。目前仍在國(guó)際空間站上工作的阿爾法磁譜儀-02，它正通過探測(cè)正電子的數(shù)量，試圖解決與此有關(guān)的宇宙科學(xué)問題。不過，宇宙線也可以與地球大氣作用，引起一系列連鎖反應(yīng)，產(chǎn)生一些高能粒子和高能光子。因此，地面的觀測(cè)設(shè)備也可以探測(cè)來自太空的宇宙線。西藏羊八井宇宙線觀測(cè)站就是我國(guó)重要的地面宇宙線觀測(cè)設(shè)施，這里的觀測(cè)設(shè)備在高能物理、粒子物理和天體物理的研究中發(fā)揮著重要作用。

圖1 美國(guó)史密松天體物理臺(tái)管轄的弗雷德·勞倫斯·惠普爾觀測(cè)臺(tái)的多鏡面望遠(yuǎn)鏡，用于宇宙線和伽馬射線觀測(cè)研究。

圖2 位于我國(guó)西藏羊八井的宇宙線觀測(cè)站

中微子天文學(xué)

中微子是自然界的一種基本粒子，它不帶電荷，所以不與電磁場(chǎng)相互作用。過去科學(xué)家以為它的質(zhì)量為零，如今的科學(xué)結(jié)論是它具有非常小的質(zhì)量，具有非?？斓倪\(yùn)動(dòng)速度。中微子也幾乎不與其他物質(zhì)發(fā)生作用。但是，宇宙中存在著大量中微子，地球附近絕大部分中微子來自太陽。據(jù)科學(xué)家探測(cè)，地球近旁垂直于太陽光線的一平方厘米截面上，每秒鐘有6.5×1010個(gè)中微子通過?，F(xiàn)階段，測(cè)量與研究天體中微子的中微子天文學(xué)仍處于幼年期。到目前為止，僅僅對(duì)于兩個(gè)中微子發(fā)射源，即太陽和超新星1987A，天文學(xué)家做了明確地檢測(cè)記錄。

中微子雖然數(shù)量巨大，但是它與物質(zhì)的作用非常微弱，所以探測(cè)中微子并不容易，而且還要屏蔽噪聲干擾。因此，探測(cè)中微子的設(shè)備都放置于地表以下，科學(xué)家們一般利用廢棄的礦井，將其改造為探測(cè)中微子的實(shí)驗(yàn)室。中微子探測(cè)是了解天體奧秘的重要途徑之一。天文學(xué)家對(duì)太陽中微子的探測(cè)，解決了一系列關(guān)于太陽的疑難問題，包括其中心的核反應(yīng)問題、標(biāo)準(zhǔn)模型和恒星演化問題等等。這些疑難也是研究其他恒星所要面對(duì)的。2002年美國(guó)科學(xué)家雷蒙德.戴維斯和日本科學(xué)家小柴昌俊因多年探測(cè)太陽中微子取得的成績(jī)，而獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)。

圖3 南極冰立方中微子觀測(cè)臺(tái)（IceCube Neutrino Observatory）觀測(cè)的最高能中微子（Ernie）示意圖，1.14PeV。

觀測(cè)各波段電磁波雖然簡(jiǎn)單易行，但是不能直接得到太陽核心的信息，通過中微子探測(cè)，科學(xué)家得到了太陽核心區(qū)域的物理信息，這充分顯示了中微子天文學(xué)的獨(dú)特魅力。如今，天文學(xué)家正在試圖觀測(cè)來自其他恒星、超新星、活動(dòng)星系核、γ暴源和星爆星系的中微子，通過它了解發(fā)生在那里的天體物理現(xiàn)象，揭示其中的物理過程與物理機(jī)制。

圖4 南極冰立方中微子觀測(cè)臺(tái)（IceCube Neutrino Observatory）

圖5 位于加拿大安大略州撒德伯里市的中微子探測(cè)設(shè)備，該設(shè)備安置在地面以下約2000米。

圖6 位于意大利卡希納的歐洲引力波天文臺(tái)（部分外景），探測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備（Virgo）為大型邁克爾遜激光干涉儀。

引力波探測(cè)

電磁振蕩可以產(chǎn)生電磁波，這已經(jīng)成為一種被人們熟知的物理現(xiàn)象。物質(zhì)的震蕩，或者說物質(zhì)的加速運(yùn)動(dòng)是否也可以產(chǎn)生波，并向遠(yuǎn)處輻射出去？早在1916年，著名物理學(xué)家愛因斯坦在他發(fā)布的廣義相對(duì)論中指出，物質(zhì)或天體的加速運(yùn)動(dòng)可以輻射出引力波。引力波是引力能量的傳播，它的傳播速度為光速，即每秒3×108米。

既然加速運(yùn)動(dòng)的天體可以產(chǎn)生引力波，那么通過探測(cè)引力波則可以了解相應(yīng)天體的物理性質(zhì)。在宇宙天體中，物理雙星是常見的一種天體系統(tǒng)，兩個(gè)天體圍繞著它們的質(zhì)量中心旋轉(zhuǎn)，也就是做加速運(yùn)動(dòng)，它們理應(yīng)輻射出引力波。因此，天文學(xué)家認(rèn)為，引力波是探測(cè)物理雙星的最好途徑，尤其是包含白矮星、中子星和黑洞的雙星。在宇宙早期，電磁輻射曾經(jīng)被宇宙物質(zhì)全部吸收，在這種情況下，要想了解宇宙早期的物理狀況和物理性質(zhì)，可以利用的探測(cè)途徑就只有通過引力波。據(jù)天文學(xué)家研究，超新星爆發(fā)的過程中也可能有引力波輻射，因此引力波探測(cè)也是超新星研究的一個(gè)渠道。

然而，現(xiàn)實(shí)中宇宙天體所輻射的引力波在地球附近已經(jīng)變得非常微弱，探測(cè)它是一件非常困難的事情，需要制造非常靈敏的探測(cè)儀器。目前，國(guó)際上已經(jīng)研制了一些引力波探測(cè)設(shè)備。20世紀(jì)90年代，來自美國(guó)加州理工學(xué)院和麻省理工學(xué)院等高校的科學(xué)家，聯(lián)合研制了引力波探測(cè)儀器，該試驗(yàn)設(shè)備被稱為L(zhǎng)IGO（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory），即激光干涉儀引力波天文臺(tái)。此儀器在2002～2010年進(jìn)行引力波的直接探測(cè)，遺憾的是，它沒有探測(cè)到確定的引力波信號(hào)。位于意大利卡希納的歐洲引力波天文臺(tái)也有一臺(tái)引力波探測(cè)儀器，其名稱為VIRGO，它自2007年開始運(yùn)行，目前該儀器經(jīng)過改進(jìn)提高了靈敏度，期望獲得引力波的直接探測(cè)信號(hào)。另外，歐洲空間局正在研制名為激光干涉儀空間天線（the Laser Interferometer Space Antenna，LISA）的空間引力波探測(cè)設(shè)備，它具有獨(dú)到的探測(cè)方式，將是科學(xué)家探測(cè)引力波的最強(qiáng)有力的武器。

圖7 建造中的歐空局引力波空間探測(cè)設(shè)備——激光干涉儀空間天線（Laser Interferometer Space Antenna ，LISA 或 Evolved Laser Interferometer Space Antenna，eLISA）的示意圖。

飛向宇宙天體的人造探測(cè)器

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展，人類探索宇宙奧秘不再僅僅局限于被動(dòng)接收天體的電磁輻射和宇宙線粒子，世界上先進(jìn)國(guó)家的科學(xué)家已經(jīng)研制了多個(gè)宇宙探測(cè)器，飛向天體實(shí)施近距離或者零距離的主動(dòng)考察。20世紀(jì)50年代開始，蘇聯(lián)和美國(guó)的一系列飛行器飛向距離地球最近的月球，進(jìn)行近距離觀測(cè)或者登陸月球進(jìn)行研究。特別是美國(guó)的阿波羅11號(hào)，實(shí)現(xiàn)了人類首次登陸月球，這是人類研究天體手段的飛躍性發(fā)展。

如今太陽系內(nèi)的大行星基本上都有人造飛行器到訪過，一些小行星、彗星和衛(wèi)星也被空間探測(cè)器進(jìn)行了近距離的觀測(cè)研究。目前，還有兩個(gè)探測(cè)儀器在火星上奔波考察，它們是“機(jī)遇號(hào)”和“好奇號(hào)”火星車，它們還在連續(xù)不斷地向地球的科學(xué)家發(fā)回各種新的探測(cè)數(shù)據(jù)。

圖8 正在火星上探測(cè)的“好奇號(hào)”火星車。

圖9 1516年降落于廣西南丹的鐵隕石，現(xiàn)陳列于北京天文館

珍貴的天外來客——隕石

宇宙天體除了向地球源源不斷送來電磁輻射和宇宙線粒子以外，偶爾也會(huì)送來寶貴的大型來客——隕石，因此研究天體還可以“守株待兔”。隕石是降落到地球表面的“天體”，它必然攜帶了天體的直接信息，必然是我們了解宇宙的寶貴途徑。盡管宇宙天體送來這種寶貴禮品，可是，由于地球表面有海洋、森林、田野和山脈等，地面狀況復(fù)雜多樣，要獲取隕石不是容易的事情，科學(xué)家往往需要到地表簡(jiǎn)單的南極或者沙漠地區(qū)尋找隕石；或者，觀測(cè)到火流星后趁熱打鐵趕赴當(dāng)?shù)貙ふ遥划?dāng)然，也有普通百姓的積極奉獻(xiàn)。不過，隕石一般來自太陽系內(nèi)天體，因此對(duì)太陽系天體的研究有直接幫助，隕石研究對(duì)于了解太陽系天體的化學(xué)組成和歷史演化意義重大。太陽系天體距離我們最近，是我們了解遙遠(yuǎn)的外星行星系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

（責(zé)任編輯 蘇晨）