探索宇宙的途径（下）

□ 夏 寒

探索宇宙的途径（下）

□ 夏 寒

人类自从诞生以来，就对星空充满好奇。在远古时代，人们只能通过眼睛观看星空，有时为了实现某种观测目的，还建造了一些简单的测量设施，例如，英国的巨石阵。1609年，意大利天文学家伽利略制作了天文望远镜，揭开了近代天文观测研究的新篇章。20世纪30年代，诞生了射电天文观测，认识宇宙又添新方法。如今，红外天文观测、X射线天文观测等逐步被天文学家利用，不过，这些探测的途径都是天体发射的电磁波。随着现代科学技术的发展，天文学家还设计出多种观测和探测设备，接收来自遥远天体的宇宙射线、中微子和引力波，这些方法大大拓宽了人类认识宇宙的途径。尤其是从20世纪50年代以来，人类进入空间探测时代。自此，人类发射空间探测器，到某天体附近或者着陆该天体对其进行直接探测。每一种新途径的产生，都会缩短人类与宇宙奥秘之间的距离。

5亿光年之外的武仙座星系团（Abell 2151）。版权：Ken Crawford

来自宇宙深处的天体使者——宇宙线

上篇提及的观测对象都是电磁波，而宇宙射线（简称宇宙线）是来自宇宙深处的物质粒子，包括各种原子核和孤单的电子。各种原子核约占宇宙线总量的99%，电子约占1%。在多种原子核宇宙线中，约90%为质子（氢原子核），α粒子（氦原子核）约占9%，各种重元素原子核约占1%。另外，还有极少量的正电子和反质子。

除电磁波之外，宇宙线是宇宙天体送来的最易被人类发现的使者，它们携带了宇宙天体的宝贵信息，是我们了解宇宙的重要途径。科学家发现，绝大多数宇宙线来自太阳系外甚至银河系外，主要发射天体源为超新星、活动星系核、类星体和γ暴源等。1951年天文学家发现来自蟹状星云的宇宙线，2009年天文学家发现来自射电星系半人马-A附近的宇宙线。探测宇宙线可以使得科学家更好地掌握相关宇宙天体或天体现象的物理本质。

1912年奥地利科学家赫斯（Victor Franz Hess）乘坐气球，飞上5350米的高空，首次确定探测到宇宙线。之后，科学家不断发展宇宙线的探测方法。一般说来，现阶段仍然利用气球和卫星，将仪器带到地球高空或者太空探测来自遥远天体的宇宙线。目前仍在国际空间站上工作的阿尔法磁谱仪-02，它正通过探测正电子的数量，试图解决与此有关的宇宙科学问题。不过，宇宙线也可以与地球大气作用，引起一系列连锁反应，产生一些高能粒子和高能光子。因此，地面的观测设备也可以探测来自太空的宇宙线。西藏羊八井宇宙线观测站就是我国重要的地面宇宙线观测设施，这里的观测设备在高能物理、粒子物理和天体物理的研究中发挥着重要作用。

图1 美国史密松天体物理台管辖的弗雷德·劳伦斯·惠普尔观测台的多镜面望远镜，用于宇宙线和伽马射线观测研究。

图2 位于我国西藏羊八井的宇宙线观测站

中微子天文学

中微子是自然界的一种基本粒子，它不带电荷，所以不与电磁场相互作用。过去科学家以为它的质量为零，如今的科学结论是它具有非常小的质量，具有非常快的运动速度。中微子也几乎不与其他物质发生作用。但是，宇宙中存在着大量中微子，地球附近绝大部分中微子来自太阳。据科学家探测，地球近旁垂直于太阳光线的一平方厘米截面上，每秒钟有6.5×1010个中微子通过。现阶段，测量与研究天体中微子的中微子天文学仍处于幼年期。到目前为止，仅仅对于两个中微子发射源，即太阳和超新星1987A，天文学家做了明确地检测记录。

中微子虽然数量巨大，但是它与物质的作用非常微弱，所以探测中微子并不容易，而且还要屏蔽噪声干扰。因此，探测中微子的设备都放置于地表以下，科学家们一般利用废弃的矿井，将其改造为探测中微子的实验室。中微子探测是了解天体奥秘的重要途径之一。天文学家对太阳中微子的探测，解决了一系列关于太阳的疑难问题，包括其中心的核反应问题、标准模型和恒星演化问题等等。这些疑难也是研究其他恒星所要面对的。2002年美国科学家雷蒙德.戴维斯和日本科学家小柴昌俊因多年探测太阳中微子取得的成绩，而获得了诺贝尔物理奖。

图3 南极冰立方中微子观测台（IceCube Neutrino Observatory）观测的最高能中微子（Ernie）示意图，1.14PeV。

观测各波段电磁波虽然简单易行，但是不能直接得到太阳核心的信息，通过中微子探测，科学家得到了太阳核心区域的物理信息，这充分显示了中微子天文学的独特魅力。如今，天文学家正在试图观测来自其他恒星、超新星、活动星系核、γ暴源和星爆星系的中微子，通过它了解发生在那里的天体物理现象，揭示其中的物理过程与物理机制。

图4 南极冰立方中微子观测台（IceCube Neutrino Observatory）

图5 位于加拿大安大略州撒德伯里市的中微子探测设备，该设备安置在地面以下约2000米。

图6 位于意大利卡希纳的欧洲引力波天文台（部分外景），探测实验设备（Virgo）为大型迈克尔逊激光干涉仪。

引力波探测

电磁振荡可以产生电磁波，这已经成为一种被人们熟知的物理现象。物质的震荡，或者说物质的加速运动是否也可以产生波，并向远处辐射出去？早在1916年，著名物理学家爱因斯坦在他发布的广义相对论中指出，物质或天体的加速运动可以辐射出引力波。引力波是引力能量的传播，它的传播速度为光速，即每秒3×108米。

既然加速运动的天体可以产生引力波，那么通过探测引力波则可以了解相应天体的物理性质。在宇宙天体中，物理双星是常见的一种天体系统，两个天体围绕着它们的质量中心旋转，也就是做加速运动，它们理应辐射出引力波。因此，天文学家认为，引力波是探测物理双星的最好途径，尤其是包含白矮星、中子星和黑洞的双星。在宇宙早期，电磁辐射曾经被宇宙物质全部吸收，在这种情况下，要想了解宇宙早期的物理状况和物理性质，可以利用的探测途径就只有通过引力波。据天文学家研究，超新星爆发的过程中也可能有引力波辐射，因此引力波探测也是超新星研究的一个渠道。

然而，现实中宇宙天体所辐射的引力波在地球附近已经变得非常微弱，探测它是一件非常困难的事情，需要制造非常灵敏的探测仪器。目前，国际上已经研制了一些引力波探测设备。20世纪90年代，来自美国加州理工学院和麻省理工学院等高校的科学家，联合研制了引力波探测仪器，该试验设备被称为LIGO（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory），即激光干涉仪引力波天文台。此仪器在2002～2010年进行引力波的直接探测，遗憾的是，它没有探测到确定的引力波信号。位于意大利卡希纳的欧洲引力波天文台也有一台引力波探测仪器，其名称为VIRGO，它自2007年开始运行，目前该仪器经过改进提高了灵敏度，期望获得引力波的直接探测信号。另外，欧洲空间局正在研制名为激光干涉仪空间天线（the Laser Interferometer Space Antenna，LISA）的空间引力波探测设备，它具有独到的探测方式，将是科学家探测引力波的最强有力的武器。

图7 建造中的欧空局引力波空间探测设备——激光干涉仪空间天线（Laser Interferometer Space Antenna ，LISA 或 Evolved Laser Interferometer Space Antenna，eLISA）的示意图。

飞向宇宙天体的人造探测器

随着现代科学技术发展，人类探索宇宙奥秘不再仅仅局限于被动接收天体的电磁辐射和宇宙线粒子，世界上先进国家的科学家已经研制了多个宇宙探测器，飞向天体实施近距离或者零距离的主动考察。20世纪50年代开始，苏联和美国的一系列飞行器飞向距离地球最近的月球，进行近距离观测或者登陆月球进行研究。特别是美国的阿波罗11号，实现了人类首次登陆月球，这是人类研究天体手段的飞跃性发展。

如今太阳系内的大行星基本上都有人造飞行器到访过，一些小行星、彗星和卫星也被空间探测器进行了近距离的观测研究。目前，还有两个探测仪器在火星上奔波考察，它们是“机遇号”和“好奇号”火星车，它们还在连续不断地向地球的科学家发回各种新的探测数据。

图8 正在火星上探测的“好奇号”火星车。

图9 1516年降落于广西南丹的铁陨石，现陈列于北京天文馆

珍贵的天外来客——陨石

宇宙天体除了向地球源源不断送来电磁辐射和宇宙线粒子以外，偶尔也会送来宝贵的大型来客——陨石，因此研究天体还可以“守株待兔”。陨石是降落到地球表面的“天体”，它必然携带了天体的直接信息，必然是我们了解宇宙的宝贵途径。尽管宇宙天体送来这种宝贵礼品，可是，由于地球表面有海洋、森林、田野和山脉等，地面状况复杂多样，要获取陨石不是容易的事情，科学家往往需要到地表简单的南极或者沙漠地区寻找陨石；或者，观测到火流星后趁热打铁赶赴当地寻找；当然，也有普通百姓的积极奉献。不过，陨石一般来自太阳系内天体，因此对太阳系天体的研究有直接帮助，陨石研究对于了解太阳系天体的化学组成和历史演化意义重大。太阳系天体距离我们最近，是我们了解遥远的外星行星系统的基础。

（责任编辑 苏晨）