多信使天文学
多信使天文学是基于针对各种不同的“信使”（messenger）信号的、相互协作的天文观测和解释的一种天文学。行星际探测器可以造访太阳系内的天体，但是如果超出了这个范围之外，那么信息就只能依赖“系外信使”了。四种系外信使包括：电磁辐射、引力波、中微子，以及宇宙射线。它们是由不同的天体物理过程产生的，因此揭示了有关产生这些现象的源头的不同的信息。
一般认为，太阳圈（日球层）以外的主要的多信使源主要包括致密双星（黑洞和中子星）、超新星、不规则中子星、伽马射线暴、活动星系核、相对论性喷流[1][2][3]。下表列出了几种不同类型的事件，以及预期的信使。
如果发现了某种信使而没有同时发现另一种，也会揭示一些信息[4]。
| 事件类型 | 电磁辐射 | 宇宙射线 | 引力波 | 中微子 | 事件举例 |
|---|---|---|---|---|---|
| 太阳耀斑 | 有 | 有 | - | - | SOL1942-02-28[5] |
| 超新星 | 有 | - | 预测[6] | 有 | SN1987A |
| 中子星合并 | 有 | - | 有 | 预测[7] | GW170817 |
| 耀变体 | 有 | - | - | 有 | TXS 0506+056 (IceCube) |
| 活动星系核 | 有 | 可能的 | 有 | M77[8][9] (IceCube) | |
| 潮汐瓦解事件 | 有 | 可能的 | 可能的 | 有 | AT2019dsg[10] (IceCube)
AT2019fdr[11] (IceCube) |
观测网络
1999年在布鲁克黑文国家实验室建立的、并从2005年开始自动运行的“超新星早期预警系统”（SNEWS），结合了多重中微子探测器来产生超新星告警(参见微中子天文学)。
2013年建立的天体物理学多信使天文台网络（AMON）[12][13]，是一个更大并更具雄心的项目，目的是为早期观测的数据分享提供便利，并鼓励对“亚阈值”事件进行搜寻——这些事件对于任何单个设备来说都不易察觉。该网络的总部位于宾夕法尼亚州立大学。
里程碑
- 20世纪40年代：一些宇宙射线被确定为是在太阳耀斑中形成的。[5]
- 1987年：超新星SN1987A所发射中微子，被神冈NDE-Ⅱ、IMB、巴克桑中微子天文台一同探测到——比光学天文望远镜发现该超新星所发出的光要早了好几个小时。
- 2017年8月： NGC 4993星系发生了一次中子星相撞事件，产生了引力波信号GW170817，这个信号被LIGO/Virgo协作行动观测到。在1.7秒后，费米伽马射线太空望远镜和国际伽玛射线天体物理实验室（INTEGRAL）发现了伽马射线暴GRB 170817A。11小时后，智利的拉斯坎帕纳斯天文台发现了光学信号SSS17a，随后，哈勃太空望远镜和暗能量相机也发现了它。尼尔·格雷尔斯雨燕天文台发现了紫外线信号，而钱德拉X射线天文台则发现了X射线信号，卡尔·G甚大天线阵发现了射电信号，对此次观测进行了补充。这是首次出现的、与相关电磁信号同时被发现的引力波事件，因此对于多信使天文学来说是一个重大突破。[14]而未观测到中微子的原因则被归结为喷发方向极度离轴。[15]在2017年12月9日，天文学家们报告了一个来自GW170817/GRB 170817A/SSS17a方向的亮度增加的X射线发射。[16][17]
- 2017年9月 (2018年7月对外公布)：在9月22日，冰立方协作组织记录了一起极高能量（约290太电子伏）中微子事件，命名为“冰立方-170922A”[18][19][20][21]。该组织向合作机构发出预警，寻求可能的来源。费米大面积望远镜（LAT）协作组织发现了大约100兆电子伏的伽马射线[22]，而神奇伽马射线望远镜（MAGIC）协作组织则发现了来自耀变体 TXS 0506+056的介于100~400吉电子伏之间的伽马射线[23]。两起事件分别在9月28日和10月4日被上报，并且被认为与中微子信号的位置一致[24]。这些信号可以被解释为是超高能量的质子在耀变体喷流被加速，产生了中性介子（衰变为伽马射线）和带电介子（衰变为中微子）。[25]这是中微子探测器首次被用于定位天体，并且识别出了一个宇宙射线的源。[24][26][27][28][29]
- 2019年10月（2021年2月宣布）：10月1日，在IceCube上检测到高能量中微子，并在可见光，紫外线，X射线和无线电波中发现了潮汐瓦解事件AT2019DSG的来源[10]。
- 2019年11月（2022年6月宣布）：由IceCube检测到的第二个高能量中微子与潮汐瓦解事件AT2019FDR相关[30]。
- 2023年6月：天文学家使用新的级联中微子技术[31]首次检测中微子从银河系的銀河平面释放，创建了第一个基于中微子的银河系地图[32][33]。
参考文献
- ^ Bartos, Imre; Kowalski, Marek. 多信使天文学. IOP Publishing. 2017. ISBN 978-0-7503-1369-8. doi:10.1088/978-0-7503-1369-8.
- ^ Franckowiak, Anna. 关于中微子的多信使天文学. 物理学杂志：会议系列. 2017, 888 (12009): 012009. doi:10.1088/1742-6596/888/1/012009.
- ^ Branchesi, Marica. 多信使天文学：引力波、中微子、光子和宇宙射线. 物理学杂志：会议系列. 2016, 718 (22004): 022004. doi:10.1088/1742-6596/718/2/022004.
- ^ Abadie, J. LIGO观测到的GRB 051103的发射源揭示了什么. 天文物理期刊. 2012, 755 (1): 2. Bibcode:2012ApJ...755....2A. arXiv:1201.4413
. doi:10.1088/0004-637X/755/1/2.
- ^ 5.0 5.1 Spurio, Maurizio. 粒子和天体物理学：一种多信使的途径. 天文和天体物理学图书馆. Springer. 2015: 46. ISBN 978-3-319-08050-5. doi:10.1007/978-3-319-08051-2.
- ^ 超新星理论组: 核心坍缩超新星引力波信号目录 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- ^ 在一起双中子星合并事件中未发现中微子发射. 2017-10-16 [2018-07-20]. （原始内容存档于2019-03-22）.
- ^ IceCube Collaboration*†; Abbasi, R.; Ackermann, M.; Adams, J.; Aguilar, J. A.; Ahlers, M.; Ahrens, M.; Alameddine, J. M.; Alispach, C.; Alves, A. A.; Amin, N. M.; Andeen, K.; Anderson, T.; Anton, G.; Argüelles, C. Evidence for neutrino emission from the nearby active galaxy NGC 1068. Science. 2022-11-04, 378 (6619): 538–543 [2023-09-22]. Bibcode:2022Sci...378..538I. ISSN 0036-8075. PMID 36378962. S2CID 253320297. arXiv:2211.09972 . doi:10.1126/science.abg3395. hdl:1854/LU-01GSA90WVKWXWD30RYFKKK1XC6. （原始内容存档于2023-12-08） （英语）.
- ^ Staff. IceCube neutrinos give us first glimpse into the inner depths of an active galaxy. IceCube. 3 November 2022 [2022-11-23]. （原始内容存档于2023-09-22） （美国英语）.
- ^ 10.0 10.1 A tidal disruption event coincident with a high-energy neutrino （页面存档备份，存于互联网档案馆） (free preprint （页面存档备份，存于互联网档案馆）)
- ^ Reusch, Simeon; Stein, Robert; Kowalski, Marek; van Velzen, Sjoert; Franckowiak, Anna; Lunardini, Cecilia; Murase, Kohta; Winter, Walter; Miller-Jones, James C. A.; Kasliwal, Mansi M.; Gilfanov, Marat. Candidate Tidal Disruption Event AT2019fdr Coincident with a High-Energy Neutrino. Physical Review Letters. 2022-06-03, 128 (22): 221101. Bibcode:2022PhRvL.128v1101R. PMID 35714251. S2CID 244345574. arXiv:2111.09390 . doi:10.1103/PhysRevLett.128.221101. hdl:20.500.11937/90027.
- ^ AMON官方网站. [2019-12-20]. （原始内容存档于2018-09-30）.
- ^ Smith, M.W.E.; et al. 天体物理学多信使天文台网络(AMON) (PDF). 天体粒子物理学. 2013年05月, 45: 56–70 [2019-12-20]. Bibcode:2013APh....45...56S. arXiv:1211.5602 . doi:10.1016/j.astropartphys.2013.03.003. hdl:2060/20140006956. （原始内容存档 (PDF)于2017-08-16）.
- ^ Landau, Elizabeth; Chou, Felicia; Washington, Dewayne; Porter, Molly. NASA的任务捕捉到了来自一个引力波事件的第一束光线. NASA. 2017年10月17日 [17 October 2017]. （原始内容存档于2017年11月18日）.
- ^ Albert, A. 通过ANTARES、冰立方、皮埃尔·俄歇天文台，搜寻来自双中子星合并事件GW170817的高能中微子. 天体物理期刊. 2017年10月16日, 850 (2): L35. arXiv:1710.05839 . doi:10.3847/2041-8213/aa9aed.
- ^ Haggard, Daryl; Ruan, John J.; Nynka, Melania; Kalogera, Vicky; Evans, Phil. LIGO/Virgo GW170817: 来自GW170817/GRB170817A/SSS17a的亮度增加的X射线放射 - ATel #11041. 天文学家电讯. December 9, 2017 [2017-12-09]. （原始内容存档于2017-12-10）.
- ^ Margutti, R.; Fong, W.; Eftekharl, T.; Alexander, E.; Chornock, R. LIGO/Virgo GW170817: 从合并事件开始，钱德拉X射线望远镜观测到108天的观测对象的亮度增加 - ATel #11037. 天文学家电讯. 2017-12-07 [2017-12-09]. （原始内容存档于2017-12-10）.
- ^ Finkbeiner, A. 多信使天文学的新纪元. 科学美国人. 2017-09-22, 318 (5): 36–41. PMID 29672499. doi:10.1038/scientificamerican0518-36.
- ^ 存档副本. [2019-12-20]. （原始内容存档于2020-10-01）.
- ^ Cleary, D. 极地冰雪中的迎客者通过新的观测宇宙的方式发现了幽灵粒子. 科学. 2018-07-12 [2019-12-20]. doi:10.1126/science.aau7505. （原始内容存档于2019-06-12）.
- ^ IceCube Collaboration. 在冰立方-170922A预警发生之前出现的来自耀变体TXS 0506+056方向的中微子放射. 科学. 2018-07-12, 361 (6398): 147–151. PMID 30002248. arXiv:1807.08794 . doi:10.1126/science.aat2890.
- ^ 存档副本. [2019-12-20]. （原始内容存档于2018-07-16）.
- ^ 2018年07月16日; 11:15 UT. ATel #10817: MAGIC首次发现甚高能量（VHE）伽马射线，来源方向与近期的极高能量（EHE）中微子事件“冰立方-170922A”一致. Astronomerstelegram.org. [2018-07-16]. （原始内容存档于2017-11-12）.
- ^ 24.0 24.1 Aartsen. 对一个与高能中微子事件冰立方-170922A同时发生的喷发耀变体的多信使观测. 科学. 2018-07-12, 361 (6398): eaat1378. PMID 30002226. arXiv:1807.08816 . doi:10.1126/science.aat1378.
- ^ De Angelis, Alessandro; Pimenta, Mario. 粒子和天体粒子物理学介绍（多信使天文学及其粒子物理学基础）. Springer. 2018. ISBN 978-3-319-78181-5. doi:10.1007/978-3-319-78181-5.
- ^ Aartsen. 在冰立方170922A事件之前的、来自耀变体TXS 0506+056的中微子放射. 科学. 2018-07-12, 361 (6398): 147–151. PMID 30002248. doi:10.1126/science.aat2890.
- ^ Overbye, Dennis. 它来自一个黑洞，现在在南极登陆：天文学家们有史以来第一次通过宇宙中微子追寻到一个超大质量耀变体的火光四射的心脏. 纽约时报. 2018-07-12 [2018-07-13]. （原始内容存档于2019-05-14）.
- ^ 撞向南极的中微子被追溯到37亿光年之外的地方. 卫报. 2018-07-12 [2018-07-12]. （原始内容存档于2019-08-15）.
- ^ 宇宙“幽灵”粒子的来源被揭开. 英国广播公司. 2018-07-12 [2018-07-12]. （原始内容存档于2020年4月26日）.
- ^ Buchanan, Mark. Neutrinos from a Black Hole Snack. Physics. 2022-06-03, 15: 77 [2023-09-22]. Bibcode:2022PhyOJ..15...77B. S2CID 251078776. doi:10.1103/Physics.15.77 . （原始内容存档于2023-07-18） （英语）.
- ^ Wright, Katherine. Milky Way Viewed through Neutrinos. aps.org. Physics 16, 115 (29 June 2023). [1 July 2023]. （原始内容存档于2023-06-29）.
Kurahashi Neilson first came up with the idea to use cascade neutrinos to map the Milky Way in 2015.
- ^ Chang, Kenneth. Neutrinos Build a Ghostly Map of the Milky Way - Astronomers for the first time detected neutrinos that originated within our local galaxy using a new technique.. The New York Times. 29 June 2023 [30 June 2023]. （原始内容存档于29 June 2023）.
- ^ IceCube Collaboration. Observation of high-energy neutrinos from the Galactic plane. Science. 29 June 2023 [30 June 2023]. （原始内容存档于30 June 2023）.
