聽!宇宙深處的“聲音”

豌豆皮

信號，什么是信號？

天文學(xué)這個行當(dāng)，跟絕大多數(shù)自然科學(xué)不一樣，研究的大都是些看得見、摸不著的東西。除了主動砸到地球上的隕石、少數(shù)探測器攜帶返回的樣本、闖入地球大氣的太陽風(fēng)粒子和一些專用于捕捉宇宙中高能粒子的大型裝置“抓”到的少許粒子之外，天文學(xué)家根本夠不著來自地球之外的物質(zhì)。天文學(xué)能研究的，主要是通過各種望遠(yuǎn)鏡接收到的各個波段（后面會講到）的信息。因為這些波段全都是電磁波譜中的一部分，加起來就覆蓋了所有類型的電磁波，所以說，現(xiàn)在的天文學(xué)早已進(jìn)入了所謂“全波段天文學(xué)”的時代。

2017年8月，人們觀測到了兩顆中子星并合時發(fā)出的引力波和高能光子，一個月后，又成功地把一顆極高能中微子的來源定位到了一個幾十億光年外的“耀變體”上。通過引力波/ 中微子與電磁波之間的印證，天文學(xué)家開始可以解讀引力波和中微子帶來的信息。從此，他們獲取信息的途徑就不僅限于電磁波，還包括了引力波和中微子等其他的“信使”，天文學(xué)也就進(jìn)入了“多信使天文學(xué)”的時代。

這兩個專有名詞聽起來很厲害，實際也確實很厲害，天文學(xué)家在最近幾十年的發(fā)現(xiàn)，比過去幾千年加起來還要多。但這也改變不了如下的事實：天文學(xué)家還是只能“守株待兔”，在地球上等待來自宇宙的各種信號，并從中解讀關(guān)于宇宙的一切。他們能做的，基本上只有三點：第一，盡量接收到更多的信號，所以如今的望遠(yuǎn)鏡修得越來越大，選址也要照顧到整個天球，為了避開地球大氣層的遮蔽，還要繼續(xù)發(fā)射空間望遠(yuǎn)鏡;第二，盡量過濾掉無關(guān)的“噪音”，確定自己接收到的信號到底是來自哪里;第三，用盡一切方法，解讀自己接收到的信號，只要能解釋它的來龍去脈，也就能夠設(shè)想出宇宙中某些天體的存在方式，從而逐步了解整個宇宙。

信號，怎能描繪宇宙？

正是在接收、過濾和解讀林林總總各種信號的過程中，我們對宇宙的認(rèn)識被一點點搭建起來。如今我們已經(jīng)知道，宇宙的絕大部分是真空，其間分布著由超星系團構(gòu)成網(wǎng)狀的脈絡(luò)，也就是所謂的“宇宙網(wǎng)”，而超星系團本身也由大片的真空和被引力束縛在一起的星系團構(gòu)成。在星系團內(nèi)部，依然是廣漠的真空，和被引力束縛在一起的一個個星系。而在星系內(nèi)部，物質(zhì)的分布照樣極度不均衡，在恒星與恒星之間，是遙遠(yuǎn)的恒星際空間，距離動輒是恒星直徑的上千萬倍。這些空間倒不再是真空，而是分布著極其稀薄的恒星際物質(zhì)。在兩個星系相撞的時候，發(fā)生碰撞的主要是這些星際物質(zhì)，而恒星幾乎總能交錯開來，相互碰撞的幾率很小?？傊?，宇宙的物質(zhì)分布在任何一個尺度上來看都是極端不均勻的，質(zhì)量集中在少數(shù)的區(qū)域，除此之外都是真空。

但在宇宙間廣袤的真空中并非真的空無一物。這里有永無休止的量子漲落，有驅(qū)動宇宙膨脹的暗能量，當(dāng)然還有無數(shù)的信使穿梭來去，攜帶著來自遠(yuǎn)方的信息。它們是各種頻率的光子（電磁波）和引力子（引力波），還有在宇宙間通行無礙的中微子。正是因為它們?nèi)缃衲軌蜃杂傻卦谟钪嬷写┬?，我們才得以知道宇宙極深處的種種秘密。也正是因為光子曾經(jīng)在宇宙的極早期無法自由通行，我們無法通過電磁波得知宇宙在38 萬歲之前的情形，最多只能回溯到宇宙微波背景輻射（CMB）誕生的時候，那時它們還是彌漫整個宇宙的紅色光線，遠(yuǎn)沒有被宇宙的不斷膨脹拉伸成微波。這些信使中極小的一部分被地球人類的探測器感知，再轉(zhuǎn)化為信號和圖像呈現(xiàn)到天文學(xué)家眼前，等待他們的解讀。

所以，信號是天文學(xué)家能夠從宇宙中獲取的主要對象，假如你是一個天文學(xué)家，你使用的儀器接收到了一些信號，這簡直再正常不過了。如果這些信號看起來不同尋常，那更是天大的好事，意味著新的發(fā)現(xiàn)在朝你招手，說不定就有機會揚名立萬了。

信號，從不可見到可見

從1609年開始，伽利略開啟了天文學(xué)的望遠(yuǎn)鏡時代。但望遠(yuǎn)鏡在那個時候只是人眼的延伸和輔助，讓更多的光進(jìn)入人眼，帶來更多的信息。這些信息直接由視網(wǎng)膜轉(zhuǎn)換為神經(jīng)信號，傳遞到大腦進(jìn)行最終處理，成為我們看到的影像。

但對天文學(xué)家來說，人眼并不是最好的信號接收器。實際上它還很糟糕：在所有的電磁波當(dāng)中，它只能感知波長為400nm～760nm 左右，也就是可見光波段的那些光子，而且在弱光條件下對色彩還很不敏感（這就是我們老看見天文學(xué)家說某顆星是某某顏色，但肉眼看上去它們多半都是白色亮點的原因）。肉眼的觀察還受到大腦自作主張的干擾，我們的大腦總會傾向于看到我們期待看到的東西，在影像模糊的情況下，還會擅自補充并不存在的信息，以“發(fā)現(xiàn)”一些熟悉的圖案。此外，人眼看到的東西還無法直接與人分享，必須通過繪畫來傳遞，要是沒先練出一手素描的手藝，還真當(dāng)不上一個合格的天文學(xué)家。

照相術(shù)的出現(xiàn)改變了這種情況。先是玻璃板，隨后是膠片，現(xiàn)在使用的是CCD（電荷耦合器件）傳感器，把接收到的光子轉(zhuǎn)換成圖片。比起人眼，它有兩個主要的好處：一是能夠長時間曝光，積累更多的光子，從而獲得更多的細(xì)節(jié)信息;二是傳感器不只對可見光敏感，還可以拍攝到其他波段的圖像，而這些圖像，是我們原本看不見的。

光子作為信使釋放信息的過程就變得復(fù)雜了：首先要通過光電轉(zhuǎn)換，把電磁波轉(zhuǎn)換為電子流，再把電子流放大后打到屏幕上成像。這樣，不管什么波段的光子，最后都被轉(zhuǎn)化為以可見光呈現(xiàn)的圖像。天文觀測再也不是“所見即所得”的直接觀察了，信號的接收與轉(zhuǎn)換成了至關(guān)重要的過程。

這個從原本不可見的圖像轉(zhuǎn)換為可見光圖像的過程，有時會讓人誤會，覺得圖像被人為處理過，“無中生有”地冒出許多細(xì)節(jié)，網(wǎng)絡(luò)上還一度有流言宣稱“天文圖片都是PS的”。但實際上，它只是幫助我們看清那些在可見光波段不會呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)而已。而為了區(qū)分不同成分或不同溫度等信息，或者為了增強顯示某些細(xì)節(jié)，往往會在天體圖像上加上各種顏色，這只是一種示意，并不代表真實的色彩，所以叫“假彩色”。我們欣賞天文圖片的時候，如果一幅圖片包含可見光以外波段的圖像，那它一定就是一幅假彩色圖片。

信號，究竟隱藏了哪些信息

宇宙中的天體，不管它是恒星還是星云，星系還是類星體，發(fā)出的電磁波都不會僅限于一個波長。它們會在連續(xù)的所有波長上都發(fā)出輻射，只不過不同溫度的天體，輻射強度隨波長的變化曲線會有所不同，輻射的峰值波段與溫度相對應(yīng)。溫度越高的天體，輻射的峰值就位于能量越高的波段。因此，研究不同波段的電磁信號，也就會看到不同溫度的宇宙。這些電磁波在真空中不受阻礙，但在經(jīng)過氣體和塵埃，比如恒星大氣、星云或者星際物質(zhì)的時候，會被選擇性地吸收或散射特定波長的光子。關(guān)于這些氣體、塵埃的化學(xué)組成、塵埃顆粒大小的信號，在遠(yuǎn)方的星光經(jīng)過它們的同時，就已經(jīng)加入星光攜帶的信息中，等待天文學(xué)家的解讀。

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關(guān)于眼睛被大腦“欺騙”的典型例子，著名的有“火星運河”，即天文學(xué)家報告說在火星表面看到了疑似河道的縱橫交錯的紋路。還有“火星上的人臉”，人們在海盜1號拍攝的一張模糊的火星地表照片上“看到”了一張人類的臉龐。如上圖中，右下角為海盜1號所拍攝的“火星人臉”，大圖則是火星偵察軌道器的高分辨率成像科學(xué)設(shè)備拍攝的相同區(qū)域影像。

紅外視野下，馬頭星云中的塵埃和氣體展現(xiàn)出清晰的結(jié)構(gòu)。[NASA， ESA， 哈勃滄海遺珠小組 （AURA/STScI）]

紅外波段

假如你關(guān)心的是紅外波段的信號，你會看到許多表面溫度在4000K 以下的恒星。它們大多是年老的紅巨星，已經(jīng)來到生命的晚期，表面溫度由于體積的膨脹而降低。你還會看到許多被裹在塵埃里的恒星寶寶，它們即將作為真正的恒星開始發(fā)光發(fā)熱。你將可以“看透”銀盤上的塵埃，向銀河系的深處看得更遠(yuǎn)，甚至一窺銀河系中心的模樣。埋藏在暗星云深處的星團也是常見的紅外源，恒星加熱了星云中的氣體和塵埃，讓它們向外發(fā)出輻射。正是通過紅外波段的觀測，我們才得以了解恒星誕生區(qū)的面貌。

地球、地球大氣和地球表面的一切有溫度的物體，包括紅外望遠(yuǎn)鏡本身，都在不斷地發(fā)出紅外輻射，把來自宇宙的紅外信號“淹沒”在背景中。要從地球自身的紅外背景中識別出來自宇宙的紅外信號，一方面需要盡量降低望遠(yuǎn)鏡自身的輻射，也就是通過各種制冷技術(shù)盡量降低望遠(yuǎn)鏡的溫度;另一方面，要對信號進(jìn)行處理，減去背景輻射，把宇宙信號篩選出來。所以，有效的辦法就是發(fā)射空間望遠(yuǎn)鏡，從大氣層外觀察宇宙中的紅外源。

紅色的恒星和藍(lán)色的恒星

不同溫度恒星的顏色分布（感謝P. Fraundorf制圖）

天鵝座大裂縫是一道濃厚的暗云，在銀河亮帶前方從天鵝座一直延伸到人馬座。（NASA）

可見光波段

假如你關(guān)心的是可見光波段的信號，恒星將會是夜空中的主角。不同質(zhì)量的恒星有著不同的表面溫度，對應(yīng)不同的顏色。溫度最低的恒星，主要輻射波段靠近紅端，發(fā)出很多的紅光和很少的藍(lán)光，所以顏色發(fā)紅。溫度最高的恒星，主要輻射波段靠近甚至超出藍(lán)端，發(fā)出很多的藍(lán)光和很少的紅光，所以顏色發(fā)藍(lán)。溫度介于兩者之間的恒星，隨著主要輻射波段的波長變化，恒星的顏色也會發(fā)生變化。不過，如果一顆恒星的主要輻射波段位于綠色光的區(qū)域，那么它除了發(fā)出很多綠光之外，還同時發(fā)出較少的藍(lán)光和同樣較少的紅光，混合起來的結(jié)果就是白光。所以，宇宙中有紅色的恒星、橙色的恒星、黃色的恒星、藍(lán)色的恒星，卻沒有綠色的恒星。一些恒星的亮度發(fā)生周期性的變化，這是“變星”，其中一類“造父變星”的變化周期與發(fā)光本領(lǐng)成正比，它們是恒星際的距離標(biāo)尺，可以判定星團和星系的距離。

從可見光的視野中觀察星空，天空中布滿恒星、亮星云、星團，還有銀河系外的遙遠(yuǎn)星系。明亮的銀河上分布著許多暗色的斑塊和條紋，那是銀河系中的塵埃和氣體組成的暗云，它們遮擋住了身后的星光。這類暗星云里最有名的當(dāng)數(shù)位于天鵝座的“天鵝座裂縫”，仿佛銀河中的一道長長的沙洲，將這一段銀河一分為二。可見光無法穿透塵埃的遮擋，塵埃背后的世界需要借助波長更長的信號，才能透漏出真相。偶爾，會有突然閃耀的超新星點亮夜空。它們中的“Ia型超新星”發(fā)光本領(lǐng)總是大致相同，是更遠(yuǎn)的距離標(biāo)尺，天文學(xué)家正是通過測量它們的亮度，才發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹。

紫外波段的天鵝座超新星遺跡（NASA/JPL-Caltech）

可見光波段的天鵝座超新星遺跡

紫外波段

假如你關(guān)心的是紫外波段的信號，它帶來的是溫度和能量更高的信息。大質(zhì)量的藍(lán)色恒星和溫度超高的白矮星，還有一些超新星遺跡中被激發(fā)的氣體云，發(fā)出的輻射都主要在紫外波段。像太陽這樣的普通恒星，外層的高溫大氣也會發(fā)出大量的紫外輻射。河外星系，不管是和銀河系類似的“正?！毙窍颠€是活躍的特殊星系，都會在紫外波段顯得非常明亮。

紫外波段的信號還能告訴我們關(guān)于星際物質(zhì)的信息。雖然星際物質(zhì)本身不會發(fā)出紫外輻射，但遠(yuǎn)方的星光穿過它們時，其中的一部分光子，特別是紫外波段的光子，會被星際物質(zhì)中的塵埃粒子和氣體分子吸收和散射。分析星光被吸收和散射的光譜，可以找出星際物質(zhì)中存在的成分，比如石墨和一氧化碳等塵埃微粒和氣體分子。不幸的是，基于同樣的原理，地球大氣幾乎吸收了來自宇宙空間的所有紫外輻射，這對地球上的生命體是好事，對天文學(xué)家則很糟糕——紫外望遠(yuǎn)鏡只能搭乘高空氣球或者空間飛船，才能接收到來自宇宙的信號。

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紅外和紫外波段的研究往往是可見光波段的延伸，使用的望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)相差不大，研究方式也比較相近，甚至一些望遠(yuǎn)鏡，比如哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和計劃中的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡還兼具光學(xué)望遠(yuǎn)鏡（可見光）和紅外望遠(yuǎn)鏡的功能。位于電磁波譜兩端的其他幾個波段則與它們不同。

X 射線視野下的天鵝座X-1，第一個被發(fā)現(xiàn)的黑洞候選者，幾乎已經(jīng)肯定是一個黑洞。（NASA/CXC）

X射線

X射線和γ射線攜帶的信息描繪了一個高能量水平上的宇宙，在這個層面的視野里，圍繞在黑洞周遭的吸積盤因為被黑洞的引力加熱到極高的溫度而熠熠生輝。黑洞的吸積盤是宇宙中產(chǎn)能效率最高的“發(fā)動機”，被吸積的物質(zhì)中，最高可能有40%的質(zhì)量被轉(zhuǎn)化為能量，以X射線的形式輻射出來，暴露出黑洞的蹤跡。如果X射線的信號顯示某處有一個強大的X 射線源，它在可見光的視野中非常黯淡，吸積的物質(zhì)高速圍繞著中心的致密天體運轉(zhuǎn)并落向它，同時并沒有發(fā)現(xiàn)下落物質(zhì)撞擊到中心天體表面所產(chǎn)生的轟擊或者飛濺——那它99.99%就是個黑洞沒跑了。

小型的黑洞散布在星系中，巨型的黑洞則埋藏在星系的核心。當(dāng)它活躍的時候，產(chǎn)生的能量足以讓整個星系核變得極其明亮，遠(yuǎn)隔上百億光年還能被地球上的望遠(yuǎn)鏡察覺，亮度如同一顆普通的黯淡恒星——這是“類星體”這個名字的來源。

編號為PSR B1509-58 的一顆中子星，圖中金黃色的部分是X 射線視野看到的中子星和周遭被激發(fā)的氣體，其他部分是紅外視野中看到的較冷的星云。[NASA/CXC/SAO （X 射線）; NASA/JPLCaltech（ 紅外）]

同樣發(fā)出強烈X 射線的還有中子星。它們是非常致密的天體，自身的巨大引力讓原子核崩潰，原本的質(zhì)子和電子相互中和形成中子，憑借中子與中子之間的斥力支撐自己的身體。中子星是超新星爆發(fā)的產(chǎn)物，它的誕生經(jīng)歷了超高能量的洗禮，所以雖然已經(jīng)不能再產(chǎn)生能量，但表面溫度還是非常高，發(fā)出的電磁輻射主要在X射線波段。中子星周圍往往還圍繞著超新星遺跡星云，距離中子星較近的氣體也會被它的輻射激發(fā)，發(fā)出X射線。

γ射線

γ射線是電磁波譜中能量最高的部分，在這個層面上的宇宙顯得動蕩不安，到處都有極端的能量在釋放。它帶來的是關(guān)于超新星爆發(fā)、中子星合并、巨型黑洞噴射出高速噴流，乃至（還只存在可能性的）微型黑洞蒸發(fā)、正反物質(zhì)湮滅之類宇宙中最激烈、最狂暴事件的信息。和這些事件比起來，太陽耀斑爆發(fā)就算是在γ射線事件中最“溫柔”的了。不過，所謂“飄風(fēng)不終朝，驟雨不終日”，這類事件的持續(xù)時間一般不長，極端的例子就是“γ射線暴”，在零點幾秒到幾十秒，至多幾小時的時間里爆發(fā)出巨大的能量，然后輻射就完全消失，再也探測不到了。天文學(xué)家的煩惱是，還沒有哪兩次γ暴的變化曲線是相同的，以致難以著手研究其具體過程。他們的對策是盯住那些可能產(chǎn)生類似事件的天體，期待能夠在有所準(zhǔn)備的情況下目擊一次猛烈的超新星爆發(fā)連帶γ射線暴事件。

在銀河系的兩端，由銀心的巨型黑洞所產(chǎn)生的噴流吹出了兩個巨大的輻射出γ 射線的“氣泡”（概念圖）。（NASA）

射電波

在電磁波的所有波段里，波長最長的是射電波。由于無線電通信也位于這個波段，天文學(xué)家每次有什么發(fā)現(xiàn)被誤讀鬧出“外星人”的烏龍，不用想，一定是哪里的射電望遠(yuǎn)鏡接收到了什么特別的信號，讓人產(chǎn)生了誤會。

其實，尋找可能來自外星文明的信號，只是射電望遠(yuǎn)鏡的工作任務(wù)中排名靠后——如果不是最后——的一條。射電信號最大的優(yōu)勢是可以看到最冷、最暗、能量最低的景象，哪怕信號源位于最不透明的寒冷氣體云深處，也不能阻擋射電信號的穿行。因此，在可見光波段工作的天文學(xué)家只能看到太陽周圍的幾千光年，而射電天文學(xué)家能看到整個銀河系。

射電天文學(xué)家最感興趣的信號主要有兩種。一種是在單個方向上發(fā)出強大射電輻射的天體，我們稱之為射電源;另一種是來自星際介質(zhì)原子或分子的譜線。星際介質(zhì)總是很冷，它們發(fā)射的譜線來自原子內(nèi)部差異很小的子能級躍遷，發(fā)生的幾率很低，譜線的能量也很低，所以觀測它們的任務(wù)落在了射電波段。射電波段最重要的譜線來自氫原子，研究譜線的強度和輪廓，可以知道宇宙中最豐富的原子——氫原子云的分布和運動方向，銀河系的旋臂形狀就是這么被畫出來的。除了氫原子和氫離子之外，其他的星際分子也對應(yīng)有著自己的譜線，每找到一條新的射電譜線，就意味著可能有一種新的星際分子出現(xiàn)在所研究的天區(qū)。

銀河系的中心是最早被探測到的射電源。銀心的射電源中心是一個巨型的黑洞，中子星、超新星遺跡、恒星誕生區(qū)也都是銀河系里常見的射電源。在銀河系外的宇宙深處，處于活躍時期的星系核被內(nèi)部的黑洞驅(qū)動，朝兩極發(fā)出強烈的射電輻射，讓整個星系成為一個強大的射電源。宇宙微波背景輻射（CMB）則近乎均勻地平鋪在所有天區(qū)，成為我們能看到的最古老的宇宙遺跡。偶爾，還有曇花一現(xiàn)隨即倏然消失的快速射電暴（FRB）在宇宙間閃爍，天文學(xué)家對這類事件的產(chǎn)生原因有著諸多猜測，但這類爆發(fā)出現(xiàn)之前沒有征兆，持續(xù)時間又非常短，幾乎不可能進(jìn)行后續(xù)觀測，所以至今還沒能弄清其本質(zhì)。

天文學(xué)家從氫離子區(qū)（圓點）和氫原子區(qū)（方塊）的分布中擬合出銀河系的旋臂形狀。

每一種星際分子，都對應(yīng)著自己的譜線

來自宇宙深處的信號

2019年年初，加拿大天文學(xué)家發(fā)表論文，報告說他們借助探測到了若干個新的快速射電暴，其中有一個重復(fù)閃了至少6次。由于至今還沒人清楚快速射電暴的成因，這種神秘又重復(fù)的無線電波讓不少人聯(lián)想到來自外星人的通信訊號。一時間，“外星人來電，要回應(yīng)嗎”的新聞標(biāo)題充斥了整個社交網(wǎng)絡(luò)，好不熱鬧。

其實，這對射電天文學(xué)家來說，并不是什么稀奇事兒。50多年前，人們也曾經(jīng)接收到過來自宇宙的重復(fù)射電信號，信號是短促而持續(xù)的脈沖，始終保持在天球上的同一個位置，比起快速射電暴這種頂多閃幾次就消失的情況，看起來是不是更像是個有特殊含義的信號？當(dāng)時的人們也以為那是外星人在打招呼，還給它起了個昵稱叫“小綠人1號”。結(jié)果呢？后來才發(fā)現(xiàn)，這種穩(wěn)定的射電脈沖來自高速旋轉(zhuǎn)的中子星，中子星朝兩極發(fā)出射電光束，像個巨大的探照燈一樣隨著它的自轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動，每掃過地球一次，射電望遠(yuǎn)鏡這個大天線就接收到一個脈沖信號。這顆中子星每1.33秒自轉(zhuǎn)一周，脈沖也就每1.33秒收到一個——一旦了解了產(chǎn)生的機制，說穿了就是這么簡單。

等到快速射電暴的成因揭曉的那一天，回頭再看如今的種種猜測，我們大概也會有同樣的感覺吧。