黑洞会发出怎样的声音？科学家们用“聆听”探索宇宙新秘密

近日，在海拔4700米的四川稻城无名山上，观天新“利器”——2.5米大视场高分辨率太阳望远镜（WeHoST）正式落户，预计2026年底完成配套设施建设。如今，科学家们正在用“聆听”的方式探测宇宙，这些“声音”并非传统意义上的声波，而是电磁波、引力波等物理信号。“聆听”宇宙究竟是怎么回事？

更大口径的工具来了

据了解，WeHoST是全球最大的轴对称太阳望远镜，目前，望远镜本体即将建造完毕。之所以观测台址选在海拔4700米的四川稻城无名山上，是因为当地拥有优良的大气宁静度和太阳观测条件。

打个比方，显微镜虽然能看到细菌，但镜中视野并不大，有所局限。观测太阳也是如此。目前已有的太阳望远镜，虽然能够清晰观察到太阳表面小尺度的精细结构，但对研究太阳活动区和太阳爆发活动来说远远不够。

而WeHoST主镜口径达2.5米，观测视场扩大了三到四倍，能覆盖整个太阳活动区。这样，从更宏观的视角观察，能更全面掌握每一次太阳爆发活动的细节。

WeHoST可以通过平面反光镜转折光路，不到10分钟就能完成日夜光路切换。这也决定了它与常见的大口径天文望远镜不同，科学家们预测，WeHoST的这种快速响应能力有望为我国“时域天文学”带来新发现。

时域天文学是什么

那么，“时域天文学”究竟是什么？

在了解这个问题之前，我们先来“听听”黑洞的声音。

它听起来有点像烟花爆竹的声音，先是“砰”的一声，然后响起“嗡嗡”的背景声，但很快这些声音被像是冲击波的声音所取代，还伴随着一些随机的“哔哩”声。

烟花爆竹声是黑洞的声音，像冲击波的声音是光的回声，随机“哔哩”声是单个恒星的声音。当然，这并不是现实中听到的黑洞声音，而是美国国家航空航天局创建的声景，只是用声音来显现望远镜探测到的太空数据和信息。

近年来，天文学家越来越意识到“倾听”宇宙声音的诸多好处，他们正利用一种全新的可听化技术，将天体物理学的数据转化为音频信号，利用声波来处理太空传来的信息，以发现更多的宇宙太空的秘密。

这种对数据的“可听化”处理，是天文学的一项分支，也是新兴领域，被称为“时域天文学”。它的研究对象包括超新星、引力波、超大质量黑洞吞噬恒星等快速变化的天体现象，是对太空中相对较短时间尺度上发生变化的瞬态物体的研究。比如，一颗快速旋转的中子星的闪光只能持续几秒钟。

“中国天眼”全称500米口径球面射电望远镜，英文缩写为FAST，是我国独立自主设计并建造的世界最大的单口径射电望远镜。图为夜空下的“中国天眼”。

聆听宇宙来自意外发现

最早以“聆听”的方式在宇宙探索中有所突破来自一次意外的新发现。

1931年，美国物理学家、无线电工程师卡尔·古特·詹斯基利用自己制造的旋转天线，无意中听到了持续不断的“嘶嘶”声，这种声音最终被发现是来自银河系中心的无线电波。射电天文学由此起步。

天文学家们真正有意识地倾听宇宙之声始于20世纪70年代。1979年，当“旅行者1号”飞越木星的卫星传回数据时，美国爱荷华大学的唐纳德·格内特从监听信号中识别出了低频无线电波。数年后，他和同事们用声波来辨别“旅行者2号”穿越土星环时出现的问题。

2004年，格内特将从“卡西尼号”任务（对土星系进行空间探测）中获取的数据转化为声频信号，不仅发现了土星上的闪电，还在土星极光区域发现了电子辐射。这时，他敏锐地意识到，探索太空奥秘，“倾听”数据信息比光看数据有用得多。

借助可听化技术，天文学家可以从充斥着嘈杂背景声的宇宙信息中发现微弱信号。引力波就是一个很好的例证。2015年，人类首次探测到双黑洞合并产生的引力波，这相当于“听到”两个黑洞碰撞时宇宙发出的“嗡鸣”声，此后又多次探测到中子星合并等事件的引力波信号，为研究宇宙演化提供了全新视角。

给宇宙拍“生活vlog”

迄今为止，天文学中许多意想不到的偶然发现都是对瞬变现象的探测结果，研究宇宙中的瞬变过程也就成为发现宇宙奥秘的最佳方式之一。

比如，斯隆数字巡天是历史上最雄心勃勃、最具影响力的巡天项目之一，该项目使用2.5米口径专用望远镜获得了数百万星系、类星体和恒星的光谱。

自2023年起，智利的薇拉·鲁宾天文台每周都要对整个南部天空进行一次扫描，这一被称为“时空遗产调查”的项目将持续十年，为的是在太空中寻找瞬态闪光和耀斑。

澳大利亚一个名为“更深、更宽、更快”的项目开始利用声波来监测瞬变天文现象，该项目协调了全球及太空中的30多个望远镜设施，已在银河系中发现了数千次瞬变现象。

从2023年起，我国的墨子巡天望远镜正式开启天文巡天观测研究，它是截至目前全球成像巡测能力最强的大视场光学巡天望远镜。它具有2.5米的大口径，可收集到来自遥远宇宙深空的光子；配备大面阵7.65亿像素高分辨率拼接CCD（即电荷耦合器件）探测器；具有6.5平方度的大视场，可通过对同一天区的高频次反复扫描，捕捉稍纵即逝的天文现象。

如果把传统天文学比作给恒星、星系拍“静态写真”，那时域天文学就是用秒级甚至毫秒级的频率，记录它们的“生活vlog”——比如超新星爆炸时像突然被点燃的烟花，中子星自转如永不停歇的脉冲灯塔，伽马射线暴则像宇宙深处瞬间闪过的“闪光灯”。

时域天文学就像给宇宙装上了“高速摄像机”，专门捕捉天体随时间变化的“动态剧情”。这种时间维度的观测，让人类能从“宇宙电影”里解读出更多隐藏的物理规律。

图为星空下的国家天文台阿里观测站。平均海拔4500米的西藏阿里，因其稀薄洁净的大气条件和极高的海拔高度，成了天文学家放眼星辰大海、窥探遥远宇宙的理想之地。

仍有技术瓶颈待突破

事实上，对于时域天文学的研究并非一帆风顺，仍有许多需要突破的技术瓶颈。

现代时域天文学观测需要设备视场足够大、反应足够快、曝光足够深、波段足够宽。而对于快速射电暴、引力波事件、伽马射线暴等持续时标极短（毫秒到小时量级）的高能暂现源，现有设备难以做到快速捕捉和精确观测。

另外，观测宇宙需要协调从空间到地面不同电磁波段、不同宇宙信使的探测器，从而开展协同观测。但目前各观测设施之间的同步和协作机制尚不完善，数据融合和分析也面临挑战。

时域天文学观测会产生大量的数据，如何快速、高效地处理和分析这些数据，从中提取有价值的信息，也是一个重要的技术瓶颈。比如，如何开发更先进的数据处理算法和软件，以提高数据处理的速度和精度。

这些技术瓶颈，正是科学家们今后一段时期亟待攻克的方向之一。但无论如何，时域天文学都给了人类这样的机会，通过“聆听”转瞬即逝的宇宙电波，去探索广袤而深邃的星际旷野。

（题图照为霞光中的“中国天眼”。本文图片来源：新华社）

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原标题：《黑洞会发出怎样的声音？科学家们用“聆听”探索宇宙新秘密》

栏目主编：龚丹韵