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天文學世界

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2020.07.24

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在極度干燥的沙漠中，在冰雪覆蓋的山頂上，在寂靜清澈的湖泊旁，當你抬頭仰望夜空時，很難不被繁星所勾勒的美景震撼。閃爍的星星仿佛在訴說著一個個獨一無二的故事，讓人浮想聯(lián)翩。

那些星星離我們有多遠？它們是由什么構(gòu)成的，又為什么會發(fā)光？是否也有像我們腳下的這顆藍色星球繞著它們旋轉(zhuǎn)？帶著這些疑問，天文學家開始了探索宇宙的征程。

天文學的主要研究內(nèi)容、方法和手段。

四大信使

宇宙最不可理解的事情是它是可理解的。

—— 愛因斯坦

我們對宇宙的認知來自于四個宇宙信使：光（電磁波）、引力波、中微子和宇宙射線。它們有的來自劇烈絢麗的超新星爆炸，有的來自奇異黑洞間的并合，有的則來自神秘莫測的快速射電暴。當這些信使穿行光年抵達地球時，要么被太空望遠鏡捕捉，要么被地面的觀測儀器接收，要么與深埋于地底下的探測器中的原子相互作用。當天文學家收集到足夠多的數(shù)據(jù)時，便開始分析這些信使所攜帶的信息，從而揭開種種產(chǎn)生它們的天體物理過程。

光是一種電磁波，肉眼所能看到的光被稱為可見光，波長大約介于400納米到700納米之間，但這只是電磁波譜中的極小一部分。為了能夠“看見”天體發(fā)出的所有波段的“光”，天文學家有時需要將望遠鏡發(fā)射到太空中去，這是因為大部分的電磁波會被大氣層阻隔，無法抵達地球表面。

不同類型的望遠鏡肩負著不同的科學使命，比如通過射電望遠鏡，天文學家可以追蹤宇宙中氫氣的分布，還可以拍攝到超大質(zhì)量黑洞的照片；伽馬射線望遠鏡則會看到一些極端的現(xiàn)象，比如超新星爆發(fā)，雙中子星并合等；太空中的普朗克衛(wèi)星可以接收到無處不在的微波——這是宇宙大爆炸遺留下的余暉；未來發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將搜尋最古老的恒星發(fā)出的光。

引力波，通常被美稱為時空的漣漪。事實上，任何具有質(zhì)量的物質(zhì)在加速時都會產(chǎn)生引力波。2015年，激光干涉引力波天文臺（LIGO）首次直接探測到了雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波，從而打開了一扇觀測宇宙的新窗口。就像電磁波一樣，不同的源也會輻射出不同頻率的引力波，而LIGO只能觀測引力波譜中的一小部分。令人驚喜的是，當雙中子星并合時，不僅會輻射出引力波，也會釋放出大量的電磁波，這為探索宇宙打開了更多的可能性，也標志著多信使天文學的崛起。

中微子也被稱為幽靈粒子，因為它幾乎不與物質(zhì)相互作用，所以探測中微子是一項非常艱巨的任務。太陽核心的核聚變，超新星爆發(fā)，以及活躍的耀變體都是中微子的宇宙制造廠。過去，天文學家通過探測中微子發(fā)現(xiàn)了它們的一個奇妙屬性：在傳播的過程中，三種類型的中微子會轉(zhuǎn)換身份，這被稱為中微子振蕩。目前，世界上最大的中微子探測器是位于南極的冰立方中微子天文臺。

宇宙射線是由帶正電的原子核（>99%）、帶負電的電子（<1%）以及微量的反粒子構(gòu)成。在這些原子核中，大約有90%是質(zhì)子（失去了核外電子的氫原子核），其余的10%為氦核和一些重元素的原子核。當高能的宇宙射線撞擊大氣層時，會產(chǎn)生大量次級粒子，稱作大氣簇射。天文學家會用大型水箱，通過在水箱中產(chǎn)生的切倫科夫輻射來探測這些次級粒子。

這四種信使，就好比是我們的視覺、聽覺、觸覺和嗅覺，只有結(jié)合在一起才能夠更完整描繪宇宙。試想一下，當你沿著海邊漫步時，欣賞落日余暉，聽著滾滾海浪，腳踩軟綿細沙，聞著空氣中咸咸的味道。這些綜合的感官，才賦予了我們一個完整的海邊體驗。

宇宙之旅

即使把我關在果殼之中，仍然自以為無限宇宙之王。

—— 莎士比亞

天文學家面對的往往是極其龐大的數(shù)據(jù)，借助紙、筆和計算機，他們開始了“枯燥”的分析工作。盡管身在辦公室之中，但他們的心神早已飛向太空，前往熾熱的恒星，快速旋轉(zhuǎn)的脈沖星，星系中心的奇異黑洞......

天文學家們有著不同的興趣領域，有的專注于研究太陽，有的熱衷于尋找地外生命，有的致力于破譯高能宇宙射線的起源。我們對宇宙的認識離不開地面觀測設備的不斷發(fā)展，以及一系列太空望遠鏡、航天器的成功發(fā)射。接下來，讓我們從地表出發(fā)，一同認識天文學的主要研究領域：

附錄：天文學中常用的公式

撰文：二宗主

校對：夏蟲等（紫金山天文臺）

圖片設計：岳岳

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