近日，在海拔4700米的四川稻城無名山上，觀天新“利器”——2.5米大視場(chǎng)高分辨率太陽望遠(yuǎn)鏡（WeHoST）正式落戶，預(yù)計(jì)2026年底完成配套設(shè)施建設(shè)。如今，科學(xué)家們正在用“聆聽”的方式探測(cè)宇宙，這些“聲音”并非傳統(tǒng)意義上的聲波，而是電磁波、引力波等物理信號(hào)?！榜雎牎庇钪婢烤故窃趺椿厥?？

更大口徑的工具來了

據(jù)了解，WeHoST是全球最大的軸對(duì)稱太陽望遠(yuǎn)鏡，目前，望遠(yuǎn)鏡本體即將建造完畢。之所以觀測(cè)臺(tái)址選在海拔4700米的四川稻城無名山上，是因?yàn)楫?dāng)?shù)負(fù)碛袃?yōu)良的大氣寧靜度和太陽觀測(cè)條件。

打個(gè)比方，顯微鏡雖然能看到細(xì)菌，但鏡中視野并不大，有所局限。觀測(cè)太陽也是如此。目前已有的太陽望遠(yuǎn)鏡，雖然能夠清晰觀察到太陽表面小尺度的精細(xì)結(jié)構(gòu)，但對(duì)研究太陽活動(dòng)區(qū)和太陽爆發(fā)活動(dòng)來說遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

而WeHoST主鏡口徑達(dá)2.5米，觀測(cè)視場(chǎng)擴(kuò)大了三到四倍，能覆蓋整個(gè)太陽活動(dòng)區(qū)。這樣，從更宏觀的視角觀察，能更全面掌握每一次太陽爆發(fā)活動(dòng)的細(xì)節(jié)。

WeHoST可以通過平面反光鏡轉(zhuǎn)折光路，不到10分鐘就能完成日夜光路切換。這也決定了它與常見的大口徑天文望遠(yuǎn)鏡不同，科學(xué)家們預(yù)測(cè)，WeHoST的這種快速響應(yīng)能力有望為我國“時(shí)域天文學(xué)”帶來新發(fā)現(xiàn)。

時(shí)域天文學(xué)是什么

那么，“時(shí)域天文學(xué)”究竟是什么？

在了解這個(gè)問題之前，我們先來“聽聽”黑洞的聲音。

它聽起來有點(diǎn)像煙花爆竹的聲音，先是“砰”的一聲，然后響起“嗡嗡”的背景聲，但很快這些聲音被像是沖擊波的聲音所取代，還伴隨著一些隨機(jī)的“嗶哩”聲。

煙花爆竹聲是黑洞的聲音，像沖擊波的聲音是光的回聲，隨機(jī)“嗶哩”聲是單個(gè)恒星的聲音。當(dāng)然，這并不是現(xiàn)實(shí)中聽到的黑洞聲音，而是美國國家航空航天局創(chuàng)建的聲景，只是用聲音來顯現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到的太空數(shù)據(jù)和信息。

近年來，天文學(xué)家越來越意識(shí)到“傾聽”宇宙聲音的諸多好處，他們正利用一種全新的可聽化技術(shù)，將天體物理學(xué)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為音頻信號(hào)，利用聲波來處理太空傳來的信息，以發(fā)現(xiàn)更多的宇宙太空的秘密。

這種對(duì)數(shù)據(jù)的“可聽化”處理，是天文學(xué)的一項(xiàng)分支，也是新興領(lǐng)域，被稱為“時(shí)域天文學(xué)”。它的研究對(duì)象包括超新星、引力波、超大質(zhì)量黑洞吞噬恒星等快速變化的天體現(xiàn)象，是對(duì)太空中相對(duì)較短時(shí)間尺度上發(fā)生變化的瞬態(tài)物體的研究。比如，一顆快速旋轉(zhuǎn)的中子星的閃光只能持續(xù)幾秒鐘。

“中國天眼”全稱500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，英文縮寫為FAST，是我國獨(dú)立自主設(shè)計(jì)并建造的世界最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。圖為夜空下的“中國天眼”。

聆聽宇宙來自意外發(fā)現(xiàn)

最早以“聆聽”的方式在宇宙探索中有所突破來自一次意外的新發(fā)現(xiàn)。

1931年，美國物理學(xué)家、無線電工程師卡爾·古特·詹斯基利用自己制造的旋轉(zhuǎn)天線，無意中聽到了持續(xù)不斷的“嘶嘶”聲，這種聲音最終被發(fā)現(xiàn)是來自銀河系中心的無線電波。射電天文學(xué)由此起步。

天文學(xué)家們真正有意識(shí)地傾聽宇宙之聲始于20世紀(jì)70年代。1979年，當(dāng)“旅行者1號(hào)”飛越木星的衛(wèi)星傳回?cái)?shù)據(jù)時(shí)，美國愛荷華大學(xué)的唐納德·格內(nèi)特從監(jiān)聽信號(hào)中識(shí)別出了低頻無線電波。數(shù)年后，他和同事們用聲波來辨別“旅行者2號(hào)”穿越土星環(huán)時(shí)出現(xiàn)的問題。

2004年，格內(nèi)特將從“卡西尼號(hào)”任務(wù)（對(duì)土星系進(jìn)行空間探測(cè)）中獲取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為聲頻信號(hào)，不僅發(fā)現(xiàn)了土星上的閃電，還在土星極光區(qū)域發(fā)現(xiàn)了電子輻射。這時(shí)，他敏銳地意識(shí)到，探索太空奧秘，“傾聽”數(shù)據(jù)信息比光看數(shù)據(jù)有用得多。

借助可聽化技術(shù)，天文學(xué)家可以從充斥著嘈雜背景聲的宇宙信息中發(fā)現(xiàn)微弱信號(hào)。引力波就是一個(gè)很好的例證。2015年，人類首次探測(cè)到雙黑洞合并產(chǎn)生的引力波，這相當(dāng)于“聽到”兩個(gè)黑洞碰撞時(shí)宇宙發(fā)出的“嗡鳴”聲，此后又多次探測(cè)到中子星合并等事件的引力波信號(hào)，為研究宇宙演化提供了全新視角。

給宇宙拍“生活vlog”

迄今為止，天文學(xué)中許多意想不到的偶然發(fā)現(xiàn)都是對(duì)瞬變現(xiàn)象的探測(cè)結(jié)果，研究宇宙中的瞬變過程也就成為發(fā)現(xiàn)宇宙奧秘的最佳方式之一。

比如，斯隆數(shù)字巡天是歷史上最雄心勃勃、最具影響力的巡天項(xiàng)目之一，該項(xiàng)目使用2.5米口徑專用望遠(yuǎn)鏡獲得了數(shù)百萬星系、類星體和恒星的光譜。

自2023年起，智利的薇拉·魯賓天文臺(tái)每周都要對(duì)整個(gè)南部天空進(jìn)行一次掃描，這一被稱為“時(shí)空遺產(chǎn)調(diào)查”的項(xiàng)目將持續(xù)十年，為的是在太空中尋找瞬態(tài)閃光和耀斑。

澳大利亞一個(gè)名為“更深、更寬、更快”的項(xiàng)目開始利用聲波來監(jiān)測(cè)瞬變天文現(xiàn)象，該項(xiàng)目協(xié)調(diào)了全球及太空中的30多個(gè)望遠(yuǎn)鏡設(shè)施，已在銀河系中發(fā)現(xiàn)了數(shù)千次瞬變現(xiàn)象。

從2023年起，我國的墨子巡天望遠(yuǎn)鏡正式開啟天文巡天觀測(cè)研究，它是截至目前全球成像巡測(cè)能力最強(qiáng)的大視場(chǎng)光學(xué)巡天望遠(yuǎn)鏡。它具有2.5米的大口徑，可收集到來自遙遠(yuǎn)宇宙深空的光子；配備大面陣7.65億像素高分辨率拼接CCD（即電荷耦合器件）探測(cè)器；具有6.5平方度的大視場(chǎng)，可通過對(duì)同一天區(qū)的高頻次反復(fù)掃描，捕捉稍縱即逝的天文現(xiàn)象。

如果把傳統(tǒng)天文學(xué)比作給恒星、星系拍“靜態(tài)寫真”，那時(shí)域天文學(xué)就是用秒級(jí)甚至毫秒級(jí)的頻率，記錄它們的“生活vlog”——比如超新星爆炸時(shí)像突然被點(diǎn)燃的煙花，中子星自轉(zhuǎn)如永不停歇的脈沖燈塔，伽馬射線暴則像宇宙深處瞬間閃過的“閃光燈”。

時(shí)域天文學(xué)就像給宇宙裝上了“高速攝像機(jī)”，專門捕捉天體隨時(shí)間變化的“動(dòng)態(tài)劇情”。這種時(shí)間維度的觀測(cè)，讓人類能從“宇宙電影”里解讀出更多隱藏的物理規(guī)律。

圖為星空下的國家天文臺(tái)阿里觀測(cè)站。平均海拔4500米的西藏阿里，因其稀薄潔凈的大氣條件和極高的海拔高度，成了天文學(xué)家放眼星辰大海、窺探遙遠(yuǎn)宇宙的理想之地。

仍有技術(shù)瓶頸待突破

事實(shí)上，對(duì)于時(shí)域天文學(xué)的研究并非一帆風(fēng)順，仍有許多需要突破的技術(shù)瓶頸。

現(xiàn)代時(shí)域天文學(xué)觀測(cè)需要設(shè)備視場(chǎng)足夠大、反應(yīng)足夠快、曝光足夠深、波段足夠?qū)挕６鴮?duì)于快速射電暴、引力波事件、伽馬射線暴等持續(xù)時(shí)標(biāo)極短（毫秒到小時(shí)量級(jí)）的高能暫現(xiàn)源，現(xiàn)有設(shè)備難以做到快速捕捉和精確觀測(cè)。

另外，觀測(cè)宇宙需要協(xié)調(diào)從空間到地面不同電磁波段、不同宇宙信使的探測(cè)器，從而開展協(xié)同觀測(cè)。但目前各觀測(cè)設(shè)施之間的同步和協(xié)作機(jī)制尚不完善，數(shù)據(jù)融合和分析也面臨挑戰(zhàn)。

時(shí)域天文學(xué)觀測(cè)會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，如何快速、高效地處理和分析這些數(shù)據(jù)，從中提取有價(jià)值的信息，也是一個(gè)重要的技術(shù)瓶頸。比如，如何開發(fā)更先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理算法和軟件，以提高數(shù)據(jù)處理的速度和精度。

這些技術(shù)瓶頸，正是科學(xué)家們今后一段時(shí)期亟待攻克的方向之一。但無論如何，時(shí)域天文學(xué)都給了人類這樣的機(jī)會(huì)，通過“聆聽”轉(zhuǎn)瞬即逝的宇宙電波，去探索廣袤而深邃的星際曠野。

（題圖照為霞光中的“中國天眼”。本文圖片來源：新華社）

原標(biāo)題：《黑洞會(huì)發(fā)出怎樣的聲音？科學(xué)家們用“聆聽”探索宇宙新秘密》

欄目主編：龔丹韻

來源：作者：解放日?qǐng)?bào) 彭薇