天文学世界

本文来自微信公众号：新原理研究所（ID：newprincipia），撰文：二宗主，校对：夏蟲 等（紫金山天文台），图片设计：岳岳，题图来自：《宇宙 第六季》

在极度干燥的沙漠中，在冰雪覆盖的山顶上，在寂静清澈的湖泊旁，当你抬头仰望夜空时，很难不被繁星所勾勒的美景震撼。闪烁的星星仿佛在诉说着一个个独一无二的故事，让人浮想联翩。

那些星星离我们有多远？它们是由什么构成的，又为什么会发光？是否也有像我们脚下的这颗蓝色星球绕着它们旋转？带着这些疑问，天文学家开始了探索宇宙的征程。

天文学的主要研究内容、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。

—— 爱因斯坦

我们对宇宙的认知来自于四个宇宙信使：光（电磁波）、引力波、中微子和宇宙射线。它们有的来自剧烈绚丽的超新星爆炸，有的来自奇异黑洞间的并合，有的则来自神秘莫测的快速射电暴。当这些信使穿行光年抵达地球时，要么被太空望远镜捕捉，要么被地面的观测仪器接收，要么与深埋于地底下的探测器中的原子相互作用。当天文学家收集到足够多的数据时，便开始分析这些信使所携带的信息，从而揭开种种产生它们的天体物理过程。

光是一种电磁波，肉眼所能看到的光被称为可见光，波长大约介于400纳米到700纳米之间，但这只是电磁波谱中的极小一部分。为了能够“看见”天体发出的所有波段的“光”，天文学家有时需要将望远镜发射到太空中去，这是因为大部分的电磁波会被大气层阻隔，无法抵达地球表面。

不同类型的望远镜肩负着不同的科学使命，比如通过射电望远镜，天文学家可以追踪宇宙中氢气的分布，还可以拍摄到超大质量黑洞的照片；伽马射线望远镜则会看到一些极端的现象，比如超新星爆发，双中子星并合等；太空中的普朗克卫星可以接收到无处不在的微波——这是宇宙大爆炸遗留下的余晖；未来发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜将搜寻最古老的恒星发出的光。

引力波，通常被美称为时空的涟漪。事实上，任何具有质量的物质在加速时都会产生引力波。2015年，激光干涉引力波天文台（LIGO）首次直接探测到了双黑洞并合产生的引力波，从而打开了一扇观测宇宙的新窗口。就像电磁波一样，不同的源也会辐射出不同频率的引力波，而LIGO只能观测引力波谱中的一小部分。令人惊喜的是，当双中子星并合时，不仅会辐射出引力波，也会释放出大量的电磁波，这为探索宇宙打开了更多的可能性，也标志着多信使天文学的崛起。

中微子也被称为幽灵粒子，因为它几乎不与物质相互作用，所以探测中微子是一项非常艰巨的任务。太阳核心的核聚变，超新星爆发，以及活跃的耀变体都是中微子的宇宙制造厂。过去，天文学家通过探测中微子发现了它们的一个奇妙属性：在传播的过程中，三种类型的中微子会转换身份，这被称为中微子振荡。目前，世界上最大的中微子探测器是位于南极的冰立方中微子天文台。

宇宙射线是由带正电的原子核（>99%）、带负电的电子（<1%）以及微量的反粒子构成。在这些原子核中，大约有90%是质子（失去了核外电子的氢原子核），其余的10%为氦核和一些重元素的原子核。当高能的宇宙射线撞击大气层时，会产生大量次级粒子，称作大气簇射。天文学家会用大型水箱，通过在水箱中产生的切伦科夫辐射来探测这些次级粒子。

这四种信使，就好比是我们的视觉、听觉、触觉和嗅觉，只有结合在一起才能够更完整描绘宇宙。试想一下，当你沿着海边漫步时，欣赏落日余晖，听着滚滚海浪，脚踩软绵细沙，闻着空气中咸咸的味道。这些综合的感官，才赋予了我们一个完整的海边体验。

宇宙之旅 

即使把我关在果壳之中，仍然自以为无限宇宙之王。

—— 莎士比亚

天文学家面对的往往是极其庞大的数据，借助纸、笔和计算机，他们开始了“枯燥”的分析工作。尽管身在办公室之中，但他们的心神早已飞向太空，前往炽热的恒星，快速旋转的脉冲星，星系中心的奇异黑洞......

天文学家们有着不同的兴趣领域，有的专注于研究太阳，有的热衷于寻找地外生命，有的致力于破译高能宇宙射线的起源。我们对宇宙的认识离不开地面观测设备的不断发展，以及一系列太空望远镜、航天器的成功发射。接下来，让我们从地表出发，一同认识天文学的主要研究领域：

附录：天文学中常用的公式

参考来源：

https://planetary-science.org/astronomy/astronomy-101/

https://www.space.com/16014-astronomy.html

https://web.astro.princeton.edu/academic/undergraduate-program/introduction-astrophysics

https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_unsolved_problems_in_astronomy

https://www.cfa.harvard.edu/researchtopics

https://astronomy.fas.harvard.edu/research

https://www.nature.com/articles/d41586-018-04157-6

https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Sets/Exoplanets_infographics/(result_type)/images

http://phl.upr.edu/projects/habitable-exoplanets-catalog/media/pte

图片来源：NASA / ESA / Felix Mirabel / N. R. Fuller / NSF / Pablo Carlos Budassi / Wikimedia Commons / Nobel Prize /IceCube Neutrino Observatory / Mark A. Garlick / CfA / Ann Feild

本文来自微信公众号：新原理研究所（ID：newprincipia），撰文：二宗主，校对：夏蟲 等（紫金山天文台），图片设计：岳岳