天文学家的五感——为用心感受宇宙丨天市垣

我要新鲜事2023-05-14 00:05:210阅

编者按：“仰望星空逐梦苍穹”，中科院之声与中科院紫金山天文台联合开设“天市垣”栏目，和大家一起聊聊最近天上发生的那些事儿。

人类乃至动物界，认知这个世界主要依靠五种感觉，即视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉。在过去，古人们主要凭借肉眼夜观天象，为天上星星分垣分宿，编织出无数个美妙的神话。从浑天仪到第谷星表，天文观测渐渐达到了人眼的极限。但即便是《西游记》中的千里眼和顺风耳，要探究这个神秘莫测的真实宇宙，也是力有不逮。天文学家们必须有更加纤细入微的感觉。

伽利略用他的望远镜描绘出月球上的环形山和月海，拉开了这场天文学家提升“五感”的序幕。到如今，全新的天文观测时常震撼人心：黑洞的照片、引力的波动、宇宙极早期的星系、银河系的恒星分布、月壤中的金属、小行星的氨基酸分子，等等。这些都依赖于各种灵敏的天文仪器的辅助，例如看到黑洞的分布全球的“事件视界望远镜阵列”、测到引力波的臂长几公里的激光干涉引力波天文台（LIGO）、看到极早期星系的最昂贵的詹姆斯·韦布望远镜、去月球挖土的嫦娥五号等等。但是“乱花渐欲迷人眼”，到底是五百米口径的中国天眼厉害，还是最贵的詹姆斯·韦布，又或是将建的30米地面望远镜更胜一筹呢？

要厘清天文学家观测宇宙的种种神奇装备和能力，还是要回归本源，看看天文学家为了更好地观测到底如何“修炼五感”。

“视觉”

人类的视觉主要在光学波段，这是太阳光穿透大气层之后辐射最强的波段，给昼行性生物的生活带来极大便利。但我们也早已熟知：烧热的铁锅会发出红外线，夏天中午阳光中的紫外线会灼伤皮肤，做CT时要用到X射线，而听广播要在射电波段。实际上，这些波段都是电磁波谱中的一小部分，不同的名字只是表征着电磁波的波长不同。不同波段的波长的典型尺度可参照图1中所示物体。

图1. 从左到右为射电、微波、红外、光学、紫外、X射线和伽马射线波段。￨图片来源：wiki 经汉化）

宇宙中的天体不仅有着相差许多量级的温度，还有着各种各样辐射机制。要观测宇宙，单一的波段是不足以讲述完整故事的，各个波段的协同观测是不可或缺的。例如著名的雪茄星系M82，在光学波段观测时像根雪茄；而红外和X射线波段则呈现给我们星系中心喷薄而出的星系超级风，电离气体冲破冷气体的束缚，进入更加广袤的空间。因此对“努力修炼”的天文学家来说，所有的波段全都要，地面能看就在地面，被大气层挡住就去天上看。对任意波段的电磁波辐射的观测，就是天文学家的“视觉”。

图2. 雪茄星系M82是一个侧向星系。绿色为哈勃的光学图像，主要来自恒星辐射；红色为斯皮策望远镜的红外图像，主要来自尘埃辐射；蓝色为钱德拉塞卡望远镜的X射线辐射，主要来自等离子体辐射。红色和蓝色表征的星系超级风从星系中心吹出，垂直于侧向的星系盘。这个图像的视场大小，与持一粒沙伸直手臂所看到的大小差不多。（图源：NASA）

有了某个波段的“视觉”之后，还应该像国乒的马龙一样，提高基本素质，努力做个“六边形战士”。这里六边形分布指：视场大小、空间分辨率；能谱范围、能量分辨率；灵敏度、时间分辨率。它们两两成一对，相互制衡。

视场大小 VS 空间分辨率

视场大小，是指单次观测的立体角范围的大小；空间分辨率，则是在视场范围内能够分辨两点的最小张角。望远镜设备总希望能看见更多的天空，同时又看到更清楚的细节。

人眼观六路，几乎可以看到半个球面，视场很大；而詹姆斯·韦布发布的第一张美妙的宇宙深场照片，它的视场只相当于你拿着一粒沙而后把手臂伸展所看起来的大小。但视场小不代表着观测到的信息少，同时还取决于相对应的空间分辨率。人眼分辨率约2角分，而詹姆斯·韦布的空间分辨率达到0.1角秒，这意味着比人眼看到的要精细1200倍，真可谓明察秋毫。探测黑洞图像的“事件视界望远镜”的空间分辨率达到十万分之一角秒，是天文学家目前最精细的“眼睛”，所以才能看见5500万光年外黑洞中间“黑色的洞”。

能谱范围 VS 能量分辨率

能谱范围其实是“某个波段”的具体化，表示能够探测到的电磁波的波长范围。自然，我们希望能够探测的能谱范围更广，以接收更多的信息。但是这也取决于与之对应的能量分辨率，能够多精细地区分不同能量或者波长的光子。

人眼的能量分辨率比猫狗略好一点，可以看到红色，整个世界都丰富多彩起来。螳螂虾的眼睛有十多种感光细胞，能量分辨率要比人类好很多。这意味着螳螂虾对某些特定的荧光辐射，或者漂亮甲壳上某些细微结构造成的色彩差别会非常敏感。当人们以为螳螂虾感受的只不过是同样光学波段的七彩世界而已的时候，螳螂虾表示：“呵呵，人类。”

如前所述，宇宙中不同波段的辐射都在讲述着不同的故事。如果完全没有能量分辨率的话，就只能得到能谱范围内所有辐射叠加起来的一张图像。而当能量分辨率足够高之后，就可以看到原子核中的衰变、电子在不同的轨道间的跃迁、分子的转动等等，从而窥探到宇宙中的万物运作。

灵敏度 VS 时间分辨率

灵敏度，是望远镜设备对辐射信号的有效响应程度。而时间分辨率则取决于采样频率以及多短时间内能够获得有效信号。

例如，过来一百个光子，未必每个都能被探测到，即使探测到的还会被设备噪声干扰，所以确认信号的可信程度非常重要。这就好比当你揉揉眼睛，满眼金光乱闪的时候，去看北斗七星中开阳星的辅星，就未必确认那里真的有一颗星星。不过话说回来，人眼在黑暗中适应以后，灵敏度足以识别出几个光子的闪光，远胜于你的手机摄像头。

天文设备在一些波段可以识别出单个的光子。但是有些天体源如此暗弱，以至于可能要观测几个小时才能够看见一个光子。这时候，天文学家仍然希望这个宝贵的光子不会被噪声淹没，即追求更高的灵敏度。

而时间分辨能力是灵敏度的对应面。例如像毫秒脉冲星这样的天体源，时间分辨率要优于毫秒才能很好探测它的周期变化，因此这毫秒之间要有足够的灵敏度探测到信号。而如果仪器每秒钟才能读取一次数据的话，就完全看不到脉冲星亮度的变化了。

天文学家的“视觉”，在各个波段努力进行着这六项“基本素质”的修炼，期望着能够揭示宇宙更多的秘密。这张六边形图，几乎可以评估一切望远镜设备观测电磁波的能力，但仍然有一些例外的能力。例如偏振这种特殊“视觉”技能，人眼是没有的，而蚂蚁、蜜蜂等一些动物则有这项本事。天文学家也练就了这种特殊技能，正努力在各个波段进行偏振观测。偏振观测可以帮助研究星际介质中磁场乃至电场的分布、尘埃的排列情况等，以及黑洞自旋时对时空的扭曲、中子星周围超强磁场的影响等。另一种特殊技能则是“以天为镜”，通过星系团等天体的引力透镜观测背后的天体。引力透镜可以增加空间分辨率和灵敏度，并且适用于全波段，十分强悍。

图3. 评价天文仪器，可以先看看它工作在哪个波段，然后看看它的六项“基本素质”怎么样。

“听觉”

太空中介质的密度太低，因此并没有声音的传播。直到探测到引力波引起的时空涟漪，天文学家才获得了“听觉”。当然，标准的说法是进入“宇宙多信使时代”。从本世纪开始，每一年天文学家都满怀希望觉得今年应该探测到引力波了，但是年年失落。直到2016 年 2 月 11 日激光干涉引力波天文台终于宣布，探测到了两颗黑洞并合产生的引力波（图4）。天文学家终于获得“听觉”，并有了研究宇宙中引力本质的能力。

提高“听觉”的“基本素质”，与提升“视觉”并没有太大差别。同样可以援引频率波段和六边形分布。这里探测的是不同频率的引力波，例如现在地面的探测在较高频率，可以探测恒星质量黑洞或中子星的并合；而未来的空间探测仪可以测量更低频的引力波，就可以听到中等质量黑洞乃至超大质量黑洞那里发生的事情。

目前的引力波探测器只有几架，总体来讲空间分辨率仍然很低，只有几个源找到了“视觉”的电磁波对应体。但是以后，天文学家不仅可以监测全天的引力波，并且会不断提升空间分辨率，这样可以同时“看见和听见”一些天体源，揭示致密天体背后的物理。

频率范围和频率分辨率对应不同的物理过程。灵敏度是引力波探测器追求了很多年之后才终于实现的，而以后需要继续提高以“听到”更微弱的声音。引力波悠忽而过，可能表达着两颗黑洞从靠近到并合的复杂过程，这需要通过高时间分辨率的频率变化来揭示。

天文学家的“听觉”，是上个十年最大成果之一，以后，各项“基本素质”将不断提升。

图4. 左图：美国 LIGO Livingston 天文台，中图：美国 LIGO Hanford 天文台，右图：人类“听到”的第一声引力波（图源：LIGO）。

“嗅觉”

地球上，我们闻着分子传递的味道，就可以知道是食物还是花朵。在地球之外用探测器对物质取样分析，“闻着”分子的味道，而知道其物质组成，可以称之为天文学家的“嗅觉”。

这种本领，通常用于研究较近的、太阳系以内的物质。例如“玉兔”月球车在月球表面测定月壤的化学成分，发现多种金属元素；“罗塞塔号”飞至67P彗星，“菲莱”成功登陆表面，分析表面物质成分后发现多种有机物。这是人类第一次成功登陆彗星，而能否看到太阳系外来客的物质则要看机缘，例如赶上“奥陌陌”这样的系外飞仙。

能否看到太阳系外来客的物质则要看机缘，例如赶上“奥陌陌”这样的小天体。尽管通过“视觉”天文学家也能发现许多物质成份，包括名字听起来很香的多环芳香烃，但是若能够直接对着这些物质“嗅上一嗅”还是能带来更多的物质成份的发现。彗星核中很可能包含着太阳系早期物质的成份信息，而月壤里的微量元素也揭示着月岩的成因。派遣探测器四处“嗅闻”，可以帮助我们更为了解太阳系的演化历程，并为未来的太空采矿做准备。

“嗅觉”主要通过光谱分析或者化学反应分析。要应付多种多样的物质信息，必须“修炼”分析的灵敏度和对不同物质的分辨能力。这意味着需要更为小巧和高集成度的探测分析仪。

图5. “菲莱”着陆到67P彗星表面（图源：ESA/ATG），这是人类第一次成功登陆彗星。

“味觉”

“味觉”其实与“嗅觉”类似，同样指对来自外太空的物质成份进行分析。但是“嗅觉”受仪器分辨能力的限制，能辨别的细节极为有限。若是返回地球进行成份分析，那可以得到丰富得多的信息和内容。毕竟是地球的“进口”物质，所以这种探测方法可以称之为天文学家的“味觉”。

比如“隼鸟2号”从“龙宫”小行星取回的样本中竟发现了23种氨基酸。而我国的“嫦娥5号”任务从月球正面取回的月球土壤显示，月球在20亿年前依然存在火山活动，大大地刷新了我们对月球的认知（此前，人类一直认为它应该在28亿年前就结束了“地质寿命”，即停止火山活动。）

“味觉”是在地面实验分析，能力几乎不设限。唯一的“修炼”则是不受污染地带回更多重要物质，而这目前需要极为昂贵的操作。但也有例外的“恩赐”：陨石。无论是球粒陨石或者铁陨石，大多在45亿年前形成于太阳系，都是揭秘太阳系前世今生的重要“文物”或“时间胶囊”。目前科学界取得的许多重大科学进展，都是根据陨石分析得来的，如我们太阳系和地球的年龄分别为45.67亿年和45.5±0.7亿年；在陨石中发现了100多种氨基酸、羧酸等有机物，构成如今地球生命DNA和RNA的全套碱基类型已全部在陨石中发现；在陨石中发现碳化硅等前太阳颗粒，即太阳系之外的矿物，也发现了诸多来自红巨星、AGB星等天体的核素。

图6. 富含有机物和水的碳质球粒陨石——默奇森（Murchison）陨石

“触觉”

探测有静止质量的粒子，或者感受物质的热量和震动，可以称之为天文学家的“触觉”。例如位于稻城高海拔宇宙线观测站-“拉索”，它可以测量宇宙线粒子的簇射，也可以直接探测到缪子。宇宙线是宇宙中的带电高能粒子，除了常见的重子和轻子，还包含一些反物质粒子。空中的“悟空”卫星，可以更直接地触碰到这些高能的宇宙线粒子。“帕克”太阳望远镜直接飞到非常接近太阳的地方，正“感受”着太阳风中的电子和离子的撞击。南极的IceCube冰立方中微子观测站，则可以较好地测量无时不刻不在穿越地球的中微子。而像“洞察号”火星车可以探测火星的震动，其携带的“鼹鼠”探测器则直接钻入地表来感受火星内部的热量，属于更为直接的“触觉”感受。略为可惜的是，“鼹鼠”并没有能很好地打洞进入地表。

针对缪子、中微子这些较难捕捉的粒子，主要是增强探测器的灵敏度，能多抓住一个是一个，然后尽可能提高空间分辨率找到相应的天体源。而对于高能宇宙射线，要能更好地甄别粒子种类，则需要提高空间分辨率以及能量分辨率。