探索宇宙的途徑（下）

□ 夏 寒

探索宇宙的途徑（下）

□ 夏 寒

人類自從誕生以來，就對星空充滿好奇。在遠古時代，人們只能通過眼睛觀看星空，有時為了實現(xiàn)某種觀測目的，還建造了一些簡單的測量設施，例如，英國的巨石陣。1609年，意大利天文學家伽利略制作了天文望遠鏡，揭開了近代天文觀測研究的新篇章。20世紀30年代，誕生了射電天文觀測，認識宇宙又添新方法。如今，紅外天文觀測、X射線天文觀測等逐步被天文學家利用，不過，這些探測的途徑都是天體發(fā)射的電磁波。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，天文學家還設計出多種觀測和探測設備，接收來自遙遠天體的宇宙射線、中微子和引力波，這些方法大大拓寬了人類認識宇宙的途徑。尤其是從20世紀50年代以來，人類進入空間探測時代。自此，人類發(fā)射空間探測器，到某天體附近或者著陸該天體對其進行直接探測。每一種新途徑的產(chǎn)生，都會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（Abell 2151）。版權(quán)：Ken Crawford

來自宇宙深處的天體使者——宇宙線

上篇提及的觀測對象都是電磁波，而宇宙射線（簡稱宇宙線）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。科學家發(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、活動星系核、類星體和γ暴源等。1951年天文學家發(fā)現(xiàn)來自蟹狀星云的宇宙線，2009年天文學家發(fā)現(xiàn)來自射電星系半人馬-A附近的宇宙線。探測宇宙線可以使得科學家更好地掌握相關(guān)宇宙天體或天體現(xiàn)象的物理本質(zhì)。

1912年奧地利科學家赫斯（Victor Franz Hess）乘坐氣球，飛上5350米的高空，首次確定探測到宇宙線。之后，科學家不斷發(fā)展宇宙線的探測方法。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來自遙遠天體的宇宙線。目前仍在國際空間站上工作的阿爾法磁譜儀-02，它正通過探測正電子的數(shù)量，試圖解決與此有關(guān)的宇宙科學問題。不過，宇宙線也可以與地球大氣作用，引起一系列連鎖反應，產(chǎn)生一些高能粒子和高能光子。因此，地面的觀測設備也可以探測來自太空的宇宙線。西藏羊八井宇宙線觀測站就是我國重要的地面宇宙線觀測設施，這里的觀測設備在高能物理、粒子物理和天體物理的研究中發(fā)揮著重要作用。

圖1 美國史密松天體物理臺管轄的弗雷德·勞倫斯·惠普爾觀測臺的多鏡面望遠鏡，用于宇宙線和伽馬射線觀測研究。

圖2 位于我國西藏羊八井的宇宙線觀測站

中微子天文學

中微子是自然界的一種基本粒子，它不帶電荷，所以不與電磁場相互作用。過去科學家以為它的質(zhì)量為零，如今的科學結(jié)論是它具有非常小的質(zhì)量，具有非?？斓倪\動速度。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)科學家探測，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個中微子通過?，F(xiàn)階段，測量與研究天體中微子的中微子天文學仍處于幼年期。到目前為止，僅僅對于兩個中微子發(fā)射源，即太陽和超新星1987A，天文學家做了明確地檢測記錄。

中微子雖然數(shù)量巨大，但是它與物質(zhì)的作用非常微弱，所以探測中微子并不容易，而且還要屏蔽噪聲干擾。因此，探測中微子的設備都放置于地表以下，科學家們一般利用廢棄的礦井，將其改造為探測中微子的實驗室。中微子探測是了解天體奧秘的重要途徑之一。天文學家對太陽中微子的探測，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問題、標準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的。2002年美國科學家雷蒙德.戴維斯和日本科學家小柴昌俊因多年探測太陽中微子取得的成績，而獲得了諾貝爾物理獎。

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

觀測各波段電磁波雖然簡單易行，但是不能直接得到太陽核心的信息，通過中微子探測，科學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的獨特魅力。如今，天文學家正在試圖觀測來自其他恒星、超新星、活動星系核、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制。

圖4 南極冰立方中微子觀測臺（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設備，該設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（部分外景），探測實驗設備（Virgo）為大型邁克爾遜激光干涉儀。

引力波探測

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)的加速運動是否也可以產(chǎn)生波，并向遠處輻射出去？早在1916年，著名物理學家愛因斯坦在他發(fā)布的廣義相對論中指出，物質(zhì)或天體的加速運動可以輻射出引力波。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。

既然加速運動的天體可以產(chǎn)生引力波，那么通過探測引力波則可以了解相應天體的物理性質(zhì)。在宇宙天體中，物理雙星是常見的一種天體系統(tǒng)，兩個天體圍繞著它們的質(zhì)量中心旋轉(zhuǎn)，也就是做加速運動，它們理應輻射出引力波。因此，天文學家認為，引力波是探測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)，可以利用的探測途徑就只有通過引力波。據(jù)天文學家研究，超新星爆發(fā)的過程中也可能有引力波輻射，因此引力波探測也是超新星研究的一個渠道。

然而，現(xiàn)實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，探測它是一件非常困難的事情，需要制造非常靈敏的探測儀器。目前，國際上已經(jīng)研制了一些引力波探測設備。20世紀90年代，來自美國加州理工學院和麻省理工學院等高校的科學家，聯(lián)合研制了引力波探測儀器，該試驗設備被稱為LIGO（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory），即激光干涉儀引力波天文臺。此儀器在2002～2010年進行引力波的直接探測，遺憾的是，它沒有探測到確定的引力波信號。位于意大利卡希納的歐洲引力波天文臺也有一臺引力波探測儀器，其名稱為VIRGO，它自2007年開始運行，目前該儀器經(jīng)過改進提高了靈敏度，期望獲得引力波的直接探測信號。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）的空間引力波探測設備，它具有獨到的探測方式，將是科學家探測引力波的最強有力的武器。

圖7 建造中的歐空局引力波空間探測設備——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器

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展，人類探索宇宙奧秘不再僅僅局限于被動接收天體的電磁輻射和宇宙線粒子，世界上先進國家的科學家已經(jīng)研制了多個宇宙探測器，飛向天體實施近距離或者零距離的主動考察。20世紀50年代開始，蘇聯(lián)和美國的一系列飛行器飛向距離地球最近的月球，進行近距離觀測或者登陸月球進行研究。特別是美國的阿波羅11號，實現(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)星也被空間探測器進行了近距離的觀測研究。目前，還有兩個探測儀器在火星上奔波考察，它們是“機遇號”和“好奇號”火星車，它們還在連續(xù)不斷地向地球的科學家發(fā)回各種新的探測數(shù)據(jù)。

圖8 正在火星上探測的“好奇號”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，地面狀況復雜多樣，要獲取隕石不是容易的事情，科學家往往需要到地表簡單的南極或者沙漠地區(qū)尋找隕石；或者，觀測到火流星后趁熱打鐵趕赴當?shù)貙ふ?；當然，也有普通百姓的積極奉獻。不過，隕石一般來自太陽系內(nèi)天體，因此對太陽系天體的研究有直接幫助，隕石研究對于了解太陽系天體的化學組成和歷史演化意義重大。太陽系天體距離我們最近，是我們了解遙遠的外星行星系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

（責任編輯 蘇晨）