編者按：「仰望星空 逐夢蒼穹」，中科院之聲與中科院紫金山天文台聯合開設「天市垣」欄目，和大家一起聊聊最近天上發生的那些事兒。
人類乃至動物界，認知這個世界主要依靠五種感覺，即視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺。在過去，古人們主要憑藉肉眼夜觀天象，為天上星星分垣分宿，編織出無數個美妙的神話。從渾天儀到第谷星表，天文觀測漸漸達到了人眼的極限。但即便是《西遊記》中的千里眼和順風耳，要探究這個神秘莫測的真實宇宙，也是力有不逮。天文學家們必須有更加纖細入微的感覺。
伽利略用他的望遠鏡描繪出月球上的環形山和月海，拉開了這場天文學家提升「五感」的序幕。到如今，全新的天文觀測時常震撼人心：黑洞的照片、引力的波動、宇宙極早期的星系、銀河系的恆星分布、月壤中的金屬、小行星的胺基酸分子，等等。這些都依賴於各種靈敏的天文儀器的輔助，例如看到黑洞的分布全球的「事件視界望遠鏡陣列」、測到引力波的臂長几公里的雷射干涉引力波天文台（LIGO）、看到極早期星系的最昂貴的詹姆斯·韋布望遠鏡、去月球挖土的嫦娥五號等等。但是「亂花漸欲迷人眼」，到底是五百米口徑的中國天眼厲害，還是最貴的詹姆斯·韋布，又或是將建的30米地面望遠鏡更勝一籌呢？
要釐清天文學家觀測宇宙的種種神奇裝備和能力，還是要回歸本源，看看天文學家為了更好地觀測到底如何「修煉五感」。
「視覺」
人類的視覺主要在光學波段，這是太陽光穿透大氣層之後輻射最強的波段，給晝行性生物的生活帶來極大便利。但我們也早已熟知：燒熱的鐵鍋會發出紅外線，夏天中午陽光中的紫外線會灼傷皮膚，做CT時要用到X射線，而聽廣播要在射電波段。實際上，這些波段都是電磁波譜中的一小部分，不同的名字只是表徵著電磁波的波長不同。不同波段的波長的典型尺度可參照圖1中所示物體。
圖1. 從左到右為射電、微波、紅外、光學、紫外、X射線和伽馬射線波段。￨圖片來源：wiki 經漢化）
宇宙中的天體不僅有著相差許多量級的溫度，還有著各種各樣輻射機制。要觀測宇宙，單一的波段是不足以講述完整故事的，各個波段的協同觀測是不可或缺的。例如著名的雪茄星系M82，在光學波段觀測時像根雪茄；而紅外和X射線波段則呈現給我們星系中心噴薄而出的星系超級風，電離氣體衝破冷氣體的束縛，進入更加廣袤的空間。因此對「努力修煉」的天文學家來說，所有的波段全都要，地面能看就在地面，被大氣層擋住就去天上看。對任意波段的電磁波輻射的觀測，就是天文學家的「視覺」。
圖2. 雪茄星系M82是一個側向星系。綠色為哈勃的光學圖像，主要來自恆星輻射；紅色為斯皮策望遠鏡的紅外圖像，主要來自塵埃輻射；藍色為錢德拉塞卡望遠鏡的X射線輻射，主要來自等離子體輻射。紅色和藍色表徵的星系超級風從星系中心吹出，垂直於側向的星系盤。這個圖像的視場大小，與持一粒沙伸直手臂所看到的大小差不多。（圖源：NASA）
有了某個波段的「視覺」之後，還應該像國乒的馬龍一樣，提高基本素質，努力做個「六邊形戰士」。這裡六邊形分布指：視場大小、空間解析度；能譜範圍、能量解析度；靈敏度、時間解析度。它們兩兩成一對，相互制衡。
-
視場大小 VS 空間解析度
視場大小，是指單次觀測的立體角範圍的大小；空間解析度，則是在視場範圍內能夠分辨兩點的最小張角。望遠鏡設備總希望能看見更多的天空，同時又看到更清楚的細節。
人眼觀六路，幾乎可以看到半個球面，視場很大；而詹姆斯·韋布發布的第一張美妙的宇宙深場照片，它的視場只相當於你拿著一粒沙而後把手臂伸展所看起來的大小。但視場小不代表著觀測到的信息少，同時還取決於相對應的空間解析度。人眼解析度約2角分，而詹姆斯·韋布的空間解析度達到0.1角秒，這意味著比人眼看到的要精細1200倍，真可謂明察秋毫。探測黑洞圖像的「事件視界望遠鏡」的空間解析度達到十萬分之一角秒，是天文學家目前最精細的「眼睛」，所以才能看見5500萬光年外黑洞中間「黑色的洞」。
-
能譜範圍 VS 能量解析度
能譜範圍其實是「某個波段」的具體化，表示能夠探測到的電磁波的波長範圍。自然，我們希望能夠探測的能譜範圍更廣，以接收更多的信息。但是這也取決於與之對應的能量解析度，能夠多精細地區分不同能量或者波長的光子。
人眼的能量解析度比貓狗略好一點，可以看到紅色，整個世界都豐富多彩起來。螳螂蝦的眼睛有十多種感光細胞，能量解析度要比人類好很多。這意味著螳螂蝦對某些特定的螢光輻射，或者漂亮甲殼上某些細微結構造成的色彩差別會非常敏感。當人們以為螳螂蝦感受的只不過是同樣光學波段的七彩世界而已的時候，螳螂蝦表示：「呵呵，人類。」
如前所述，宇宙中不同波段的輻射都在講述著不同的故事。如果完全沒有能量解析度的話，就只能得到能譜範圍內所有輻射疊加起來的一張圖像。而當能量解析度足夠高之後，就可以看到原子核中的衰變、電子在不同的軌道間的躍遷、分子的轉動等等，從而窺探到宇宙中的萬物運作。
-
靈敏度 VS 時間解析度
靈敏度，是望遠鏡設備對輻射信號的有效響應程度。而時間解析度則取決於採樣頻率以及多短時間內能夠獲得有效信號。
例如，過來一百個光子，未必每個都能被探測到，即使探測到的還會被設備噪聲干擾，所以確認信號的可信程度非常重要。這就好比當你揉揉眼睛，滿眼金光亂閃的時候，去看北斗七星中開陽星的輔星，就未必確認那裡真的有一顆星星。不過話說回來，人眼在黑暗中適應以後，靈敏度足以識別出幾個光子的閃光，遠勝於你的手機攝像頭。
天文設備在一些波段可以識別出單個的光子。但是有些天體源如此暗弱，以至於可能要觀測幾個小時才能夠看見一個光子。這時候，天文學家仍然希望這個寶貴的光子不會被噪聲淹沒，即追求更高的靈敏度。
而時間分辨能力是靈敏度的對應面。例如像毫秒脈衝星這樣的天體源，時間解析度要優於毫秒才能很好探測它的周期變化，因此這毫秒之間要有足夠的靈敏度探測到信號。而如果儀器每秒鐘才能讀取一次數據的話，就完全看不到脈衝星亮度的變化了。
天文學家的「視覺」，在各個波段努力進行著這六項「基本素質」的修煉，期望著能夠揭示宇宙更多的秘密。這張六邊形圖，幾乎可以評估一切望遠鏡設備觀測電磁波的能力，但仍然有一些例外的能力。例如偏振這種特殊「視覺」技能，人眼是沒有的，而螞蟻、蜜蜂等一些動物則有這項本事。天文學家也練就了這種特殊技能，正努力在各個波段進行偏振觀測。偏振觀測可以幫助研究星際介質中磁場乃至電場的分布、塵埃的排列情況等，以及黑洞自旋時對時空的扭曲、中子星周圍超強磁場的影響等。另一種特殊技能則是「以天為鏡」，通過星系團等天體的引力透鏡觀測背後的天體。引力透鏡可以增加空間解析度和靈敏度，並且適用於全波段，十分強悍。
圖3. 評價天文儀器，可以先看看它工作在哪個波段，然後看看它的六項「基本素質」怎麼樣。
「聽覺」
太空中介質的密度太低，因此並沒有聲音的傳播。直到探測到引力波引起的時空漣漪，天文學家才獲得了「聽覺」。當然，標準的說法是進入「宇宙多信使時代」。從本世紀開始，每一年天文學家都滿懷希望覺得今年應該探測到引力波了，但是年年失落。直到2016 年 2 月 11 日雷射干涉引力波天文台終於宣布，探測到了兩顆黑洞併合產生的引力波（圖4）。天文學家終於獲得「聽覺」，並有了研究宇宙中引力本質的能力。
提高「聽覺」的「基本素質」，與提升「視覺」並沒有太大差別。同樣可以援引頻率波段和六邊形分布。這裡探測的是不同頻率的引力波，例如現在地面的探測在較高頻率，可以探測恆星質量黑洞或中子星的併合；而未來的空間探測儀可以測量更低頻的引力波，就可以聽到中等質量黑洞乃至超大質量黑洞那裡發生的事情。
目前的引力波探測器只有幾架，總體來講空間解析度仍然很低，只有幾個源找到了「視覺」的電磁波對應體。但是以後，天文學家不僅可以監測全天的引力波，並且會不斷提升空間解析度，這樣可以同時「看見和聽見」一些天體源，揭示緻密天體背後的物理。
頻率範圍和頻率解析度對應不同的物理過程。靈敏度是引力波探測器追求了很多年之後才終於實現的，而以後需要繼續提高以「聽到」更微弱的聲音。引力波悠忽而過，可能表達著兩顆黑洞從靠近到併合的複雜過程，這需要通過高時間解析度的頻率變化來揭示。
天文學家的「聽覺」，是上個十年最大成果之一，以後，各項「基本素質」將不斷提升。
圖4. 左圖：美國 LIGO Livingston 天文台，中圖：美國 LIGO Hanford 天文台，右圖：人類「聽到」的第一聲引力波（圖源：LIGO）。
「嗅覺」
地球上，我們聞著分子傳遞的味道，就可以知道是食物還是花朵。在地球之外用探測器對物質取樣分析，「聞著」分子的味道，而知道其物質組成，可以稱之為天文學家的「嗅覺」。
這種本領，通常用於研究較近的、太陽系以內的物質。例如「玉兔」月球車在月球表面測定月壤的化學成分，發現多種金屬元素；「羅塞塔號」飛至67P彗星，「菲萊」成功登陸表面，分析表面物質成分後發現多種有機物。這是人類第一次成功登陸彗星，而能否看到太陽系外來客的物質則要看機緣，例如趕上「奧陌陌」這樣的系外飛仙。
能否看到太陽系外來客的物質則要看機緣，例如趕上「奧陌陌」這樣的小天體。儘管通過「視覺」天文學家也能發現許多物質成份，包括名字聽起來很香的多環芳香烴，但是若能夠直接對著這些物質「嗅上一嗅」還是能帶來更多的物質成份的發現。彗星核中很可能包含著太陽系早期物質的成份信息，而月壤里的微量元素也揭示著月岩的成因。派遣探測器四處「嗅聞」，可以幫助我們更為了解太陽系的演化歷程，並為未來的太空採礦做準備。
「嗅覺」主要通過光譜分析或者化學反應分析。要應付多種多樣的物質信息，必須「修煉」分析的靈敏度和對不同物質的分辨能力。這意味著需要更為小巧和高集成度的探測分析儀。
圖5. 「菲萊」著陸到67P彗星表面（圖源：ESA/ATG），這是人類第一次成功登陸彗星。
「味覺」
「味覺」其實與「嗅覺」類似，同樣指對來自外太空的物質成份進行分析。但是「嗅覺」受儀器分辨能力的限制，能辨別的細節極為有限。若是返回地球進行成份分析，那可以得到豐富得多的信息和內容。畢竟是地球的「進口」物質，所以這種探測方法可以稱之為天文學家的「味覺」。
比如「隼鳥2號」從「龍宮」小行星取回的樣本中竟發現了23種胺基酸。而我國的「嫦娥5號」任務從月球正面取回的月球土壤顯示，月球在20億年前依然存在火山活動，大大地刷新了我們對月球的認知（此前，人類一直認為它應該在28億年前就結束了「地質壽命」，即停止火山活動。）
「味覺」是在地面實驗分析，能力幾乎不設限。唯一的「修煉」則是不受污染地帶回更多重要物質，而這目前需要極為昂貴的操作。但也有例外的「恩賜」：隕石。無論是球粒隕石或者鐵隕石，大多在45億年前形成於太陽系，都是揭秘太陽系前世今生的重要「文物」或「時間膠囊」。目前科學界取得的許多重大科學進展，都是根據隕石分析得來的，如我們太陽系和地球的年齡分別為45.67億年和45.5±0.7億年；在隕石中發現了100多種胺基酸、羧酸等有機物，構成如今地球生命DNA和RNA的全套鹼基類型已全部在隕石中發現；在隕石中發現碳化矽等前太陽顆粒，即太陽系之外的礦物，也發現了諸多來自紅巨星、AGB星等天體的核素。
圖6. 富含有機物和水的碳質球粒隕石——默奇森（Murchison）隕石
「觸覺」
探測有靜止質量的粒子，或者感受物質的熱量和震動，可以稱之為天文學家的「觸覺」。例如位於稻城高海拔宇宙線觀測站-「拉索」，它可以測量宇宙線粒子的簇射，也可以直接探測到繆子。宇宙線是宇宙中的帶電高能粒子，除了常見的重子和輕子，還包含一些反物質粒子。空中的「悟空」衛星，可以更直接地觸碰到這些高能的宇宙線粒子。「帕克」太陽望遠鏡直接飛到非常接近太陽的地方，正「感受」著太陽風中的電子和離子的撞擊。南極的IceCube冰立方中微子觀測站，則可以較好地測量無時不刻不在穿越地球的中微子。而像「洞察號」火星車可以探測火星的震動，其攜帶的「鼴鼠」探測器則直接鑽入地表來感受火星內部的熱量，屬於更為直接的「觸覺」感受。略為可惜的是，「鼴鼠」並沒有能很好地打洞進入地表。
針對繆子、中微子這些較難捕捉的粒子，主要是增強探測器的靈敏度，能多抓住一個是一個，然後儘可能提高空間解析度找到相應的天體源。而對於高能宇宙射線，要能更好地甄別粒子種類，則需要提高空間解析度以及能量解析度。
圖7. 高能質子在「悟空」衛星探測器中產生的簇射
綜合著全球之力，天文學家越來越快地增強著自己的「五感」，纖細入微地感受這個美麗而又神秘的宇宙的方方面面，並盼望把這個真實宇宙帶到每個人面前。
來源：中國科學院紫金山天文台
本帳號稿件默認開啟微信「快捷轉載」
轉載請註明出處
其他渠道轉載請聯繫 weibo@cashq.ac.cn