我們對宇宙的觀測手段足夠了嗎？

11-27

突然想到的……我們現有的對宇宙的觀測手段已經夠用了么？有沒有一些理論中還未發現的物質是因為觀測手段不夠，所以還未發現的？

確實不夠，而且差的很遠。
最近比較閑，乾脆長篇大論一番得了！

04/29 更新了一些引力波起源的內容和一些探測器圖片。
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分為以下幾個部分：
0. Prelude
1. 高能中微子
2. 引力波
3. 多波段天文
4. 多信使天文台網路，AMON (Astrophysical Multimessenger Observatory Network)

0. Prelude

感覺天體物理的發展方向將是the conjunction of mutimessenger signals. 將來天文學的研究將不僅僅依賴於電磁波的觀測，同時高能中微子，引力波也將要被用來研究天體物理過程和天文現象。目前來說，與電磁波的多波段觀測相比，高能中微子的觀測還有著很大的提升空間。至於引力波的觀測，今年二月份LIGO才首次宣布直接探測到雙黑洞併合產生的引力波事件(PRL 116, 061102)。

儘管引力波和高能中微子的觀測剛剛起步，但是這些里程碑式的進展卻深刻地影響了我們對一些高能過程的認識，比如，2012年IceCube團隊發現了能量高達2PeV( $2 imes10^{15}$ electronvolt)的中微子(arxiv: 1311.5238)，這個中微子所攜帶的能量比地球上大型強子對撞機所產生的高能質子還要高300倍，如此高的能量應來自於高能宇宙線的碰撞過程. 在另一方面，LIGO探測到的引力波其頻率範圍在 $35-250 m Hz$ 之間，引力波張力幅(我也不知道怎麼翻譯比較好，英文Gravitational-Wave Strain，其實是黎曼度規相對於平直時空的一階微擾) 達到 $10^{-21}$ ,其波形符合雙黑洞的繞轉、併合和ringdown過程，信號的置信度達到了 $5.1sigma$ 。這一發現證實了存在質量高達30個太陽質量的恆星級黑洞，並且我們可以在Hubble時間內觀測到這種現象。

每當一種新的觀測手段的出現，我們總能得到令人振奮的發現。

1. 高能中微子

目前，IceCube是天體物理高能中微子的主要探測器，它位於Amundsen-Scott南極站，是一個體積達立方千米的中微子探測器，深達冰下2500m. IceCube利用高能中微子與冰發生相互作用產生的次級粒子的切倫科夫輻射來探測中微子能量和方向。
IceCube的結構：
冰下數字光學模塊，digital optical modules (DOMs)，共有5160個。每個光學模塊上有一個10英尺的光電倍增管。光學模塊懸附在與冰面垂直的「懸線（String）」上，分布在冰下1450m到2450m之間。所有的懸線都部署在一個正六邊形之中，每個懸線之間間隔為125m同時每個懸線懸掛60個光學模塊，光學模塊的垂直間隔大約17m. 中心區域的懸線更加緊湊，水平間隔縮短到70m，垂直間隔縮短到7m。這種分布將探測器的能量閾值降低到10GeV，將有可能研究中微子振蕩。

（來源：Detector）

對於天文學，IceCube對於高能中微子的觀測可以用於研究宇宙線的起源和加速機制。IceCube高能中微子只能產生於強子參與的相互作用，因此相關的天體可能是黑洞和中子星。這樣，相關的研究將有可能揭露新的天體物理的源或者為現有天體的物理過程提供一個更新的認識。下圖為三年的IceCube中微子事件在銀道坐標系中的分布，高緯度點源的存在說明了這些源分布在河外（不然的話應該集中在銀道面上）。

（來源：A growing astrophysical neutrino signal in IceCube now features a 2-PeV neutrino）

同時這種各項同性的分布暗示了與Fermi觀測的Isotropic gamma-ray background（IGRB）有著一定的相關性，可以用來約束彼此的起源，這也是多信使天文學的一個具體的例子。

舉一個我正在做的例子吧！

我的本科畢業論文就是研究IceCube高能中微子和IGRB的起源。下圖為Fermi 研究團隊得到的IGRB的Flux，其中較為明顯的陰影區域就表示扣除了點源之外的各向同性的成分（Ackermann, M, 2015, ApJ 799:86）

然後與IceCube的TeV中微子觀測數據放到一塊得到

（來自我的畢業論文，in preparation）

可以看出這兩種各項同性的成分在流量上是可比擬的。實際上，在我的這個題目研究的是恆星形成星系SFG和星暴星系SBG中超新星（supernovae，SNe）和更高能的對應體HNe(hypernovae)的貢獻。

通過第一級Fermi激波加速的宇宙線（主要是質子）與星系中的氣體、星系團之間的介質發生pp碰撞產生 $pi$ 介子，然後衰變產生gamma光子的同時產生中微子。gamma輻射經過宇宙學距離之後與宇宙微波背景輻射(CMB)和紅外星光背景(EBL)發生雙光子湮滅，在高能段產生一個cutoff，同時湮滅產生的正負電子對與CMB-EBL發生逆康普頓散射，產生EM cascade導致在gamma－ray低能段流量增加。我的工作便是在宇宙學時間上模擬這一系列過程，下面便是一個實例，這裡不再深入地探討了。

（來自我的畢業論文，in preparation）

通過這一個例子就可以看出，IceCube的中微子數據確實能夠為天文研究提供一個新的視角，相信以後也會有更多有趣的科學。

現在呢，IceCube可能將要迎來一個新的升級（希望能申到錢啊！），PINGU，在IceCube的底部一個更小的區域將光學模塊加密，這樣便可以提高能量解析度，同時降低能量閾值。也許將來IceCube將可以用來探測低至MeV量級的中微子，同時可能會用來研究中微子的震蕩，探測中微子參數（CP破壞相角、混合角、質量平方差、絕對質量 etc）

（來自：Beyond IceCube）

在今年的4月17號到18號，我參加了在南京大學舉辦的第二屆JUNO中微子天文和天體物理研討會。中國也將要建設中微子探測器用於研究天體物理中微子和中微子物理。會上了解到，江門中微子探測器（JUNO，Jiangmen Underground Neutrino Observatory)的基礎設施預計2018/2019年完成，2020年便可以採集數據。相信到時候會有更加令人振奮的發現！（那時候PhD預計快要畢業啦 2016-2021！！）

2. 引力波

目前用於探測引力波主要探測器有advanced LIGO (aLIGO, in USA), aVirgo (in Italy), 將來的空間引力波探測器有歐空局的eLISA(Evolved Laser Interferometer Space Antenna), 中國的天琴（TianQin）和歐洲的地基探測器Einstein Telescope.

Einstein Telescope

（Einstein Telescope）

空間激光干涉引力波探測器

（Evolved Laser Interferometer Space Antenna）

引力波源

從場方程可以解出，低速運動（遠小於光速）的「質量」所產生的引力波輻射張力幅，也就是aLIGO觀測得到的 $h$ ，正比於質量四極矩對於時間的二階微分。也就是說，一個旋轉的完美球體是不會產生引力波輻射的，因為偶極矩、四極矩描述了物體（或者說是質量系統）對於完美球體的偏離。同時質量的偶極矩一般不會影響引力效果，但是四極矩會產生一些運動學上的效應。即使在經典牛頓力學框架下，天體的質量四極矩會帶來一個引力勢的修正項，進一步導致行星產生進動（這一點已經被水星進動證實，因為太陽是有一定扁率的橢球形狀，會有一個四極修正項。）這樣，橢球形狀的非勻速自轉的天體可以產生引力波輻射，緻密天體的吸積過程、雙星、天體的塌縮等過程也會產生引力波輻射，但是其頻率分布可能會有所不同。另一方面，由於引力波的輻射，系統的能量損失率正比於 $1/c$ 的五次方，因此引力輻射導致天體的併合應該是相當緩慢的。但是，LIGO的這次引力波事件說明了這種效應是可以在宇宙學時間內看得到的。這確實是一個很令人激動的發現！

另外一個各種探測器相互競爭的目標就是宇宙的原初引力波，這將有助於我們了解宇宙最初的形態和演化。

（Gravitational wave）

註：eLISA前名Laser Interferometer Space Antenna (LISA)

下面的一張圖給出了不同波段不同探測器的靈敏度

（arxiv 1408.0740）

能夠探測得到的信號強度應該在雜訊曲線之上。比如今年探測到的引力波事件GW150914，的信號落在aLIGO雜訊曲線之上。可以看出將來的探測器的靈敏度將會有很大的提高，有望探測到來自超新星，類星體的信號。

同時，如果在更高頻率上提高靈敏度，則有可能探測得到低質量黑洞併合，黑洞中子星併合，中子星中子星併合，乃至大質量恆星塌縮的全程（從繞轉到併合到ringdown）的引力波信號, 計算結果見下圖。（S. Kobayashi P. Meszaros, 2003, http://iopscience.iop.org/article/10.1086/374733/pdf）

2.1. 雙中子星併合（Double Neutron Stars）
虛線：雜訊曲線
黑線：螺旋環繞
點虛線：併合過程
圓圈：併合成一條bar
尖峰：ringdown

2.2. 黑洞－中子星
細線： $d=170{ m Mpc}, m_1=3M_odot, m_2=1,4M_odot$
粗線： $d=280{ m Mpc}, m_1=12M_odot, m_2=1,4M_odot$

這篇文章還計算了大質量恆星塌縮、黑洞－白矮星的引力波輻射。
這些源就是，靈敏度達到了就有可能看到，靈敏度達不到，信號只能被埋沒到雜訊裡面！

3. 多波段天文

gamma波段知道幾個空間望遠鏡，比如Fermi LAT, Swift, HESS。但是其他波段我也不太熟悉，所以放幾張圖吧！
來源：Cool Cosmos

多波段觀測

4. 多信使天文台網路，AMON (Astrophysical Multimessenger Observatory Network)
Astrophysical Multimessenger Observatory Network

Penn State物理系和天文系正在聯合搞的一個項目，目的是聯合多種信使（光子，宇宙線，中微子，引力波）的天文台建立一個共享、聯合觀測、實時聯合分析的一個網路。旨在通過同時的觀測提高暫現源的靈敏度和觀測閾值，對於推定的天體物理源實現快速追蹤成像。

目前已經有很多天文台加入了這個項目：

更多介紹：The Astrophysical Multimessenger Observatory Network (AMON)

感覺這應該也是以後天文和天體物理髮展的一個趨勢吧！

5. Epilogue

這裡簡略的敘述了不同形式天文信號的現狀以及不遠未來的發展方向，由於對於粒子（中微子）天體物理和引力物理很有興趣（將要去讀相關方向的PhD），所以在這兩個方面說得比較多。另一方面，最近做的題目和今天所寫的比較相關同時聽了許多這個方向的報告。所以將報告ppt上的一些內容和我做的一些結果放了上去，希望能夠提供一些直觀的例子。

在寫的過程中有些不太確定的地方又重新查閱了相關的網站和文章，但是難免會有遺漏和不當的地方，歡迎補充和指正！

謝邀。（沒有想到有一天我也會在抬頭寫下這兩個字）

不足夠，一個很重要的尚未發現的觀測方法就是中微子觀測。我們目前所擁有的中微子探測方法非常不完善，靈敏度和解析度都相當低，而且造價高昂。

中微子作為穿透力極強的粒子，攜帶有很多無法從其他途徑獲得的信息。比如恆星內部的核反應狀況，比如超新星爆炸瞬間的內部過程。這些過程往往被炙熱而巨量的氣體所擋住，傳統觀測方法只能允許我們看到非常表層的現象，對於真正的過程我們則只能進行粗略的猜測。幾乎任何核反應都會產生中微子，所以中微子觀測相對於天文學而言，就像是核磁共振成像相對於醫學，會是另一個革命性的觀測技術。

我來解釋一下剛才提到的兩個例子。

恆星內部的核反應產生光子與中微子，由於周圍巨量的高溫氣體的存在，光子要在恆星內部曲折行進數萬年才能到達表面，而中微子，由於其幾乎不與任何物質相互作用，所以它會以近乎光速的速度直接從恆星表面逃離，從而帶給我們關於恆星內部的第一手信息。如果我們擁有中微子觀測技術，我們可以直接「成像」太陽的反應核心，這對研究恆星演化是非常有意義的。

超新星爆炸則是另外一回事，超新星爆炸差不多是宇宙中排名前五的高能現象了，我們卻沒能很好的解釋它的形成。這裡我說的超新星指的是II型超新星，也就是核心坍縮（core collapse) 型超新星。雖然超新星並非一個罕見的現象，對於一個典型星系而言，每世紀基本都會有一顆超新星爆發，但我們實際觀測過的超新星遠遠小於這個值，主要是因為超新星，即使是如此高能的天文現象，也是相對黯淡的，而且地球自轉不允許我們一直監視一片天區。這個情況一直到這個世紀才有所改善。

在這裡我要給學校的ASASSN做個廣告了，ASASSN是All-Sky Automated Survey for Supernovae的縮寫，全天自動超新星搜索項目，它使用遍佈於各大洲的數台大視場望遠鏡持續觀測天空，由計算機來自動識別超新星。這個項目所發現的超新星是世界上所有其他項目之和。去年這個項目發現了ASASSN 15lh，也就是SN2015L，是人類觀測過的最為明亮的超新星，功率高達1.1e52 ergs，是太陽的五千七百萬倍。咳咳，廣告到此結束。

如果我們能有效探測中微子，我們就可以在光子到達地球之前幾個小時預報超新星爆炸，來為觀測準備活動提供足夠的時間。在歷史上，SN1987A是我們唯一一個被證實觀測到中微子爆發的超新星，在SN1987A的光線到達地球的三小時前，日本神岡中微子探測器，美國布魯克海文中微子探測器和俄羅斯的BAKSAN中微子探測器同時（當然有一個光速的時間差）探測到了一個中微子爆發，後被證實來自於SN1987A超新星。所以中微子可以有效預報超新星爆發，提高觀測效率。

有趣的一點是，我們至今沒有一個關於超新星的完備的理論，目前的理論在二維情況下工作得還不錯，但是在三維下經常炸不開，需要非常精細的參數調節才有可能實現一次超新星爆炸。但對於一個非常普遍的天文現象而言，不可能需要這麼精密的參數調節。所以我們急需一個可以探測到反應核心的辦法，而中微子會是最佳人選。

我相信這篇回答里有諸多錯誤，希望大神們能不吝賜教，野雞大學學生在此謝過了！

目前我們能夠知道的天文觀測手段，一共是五種，按照能夠探測到的最遠距離，由近及遠地說
第一種是發射探測器，近距離或者實地觀測，比如人類登月，火星硬著陸，最遠已經飛掠過了冥王星，但目前還沒有飛出太陽系，這種手段是人類主動控制的，靈活度最高，但是限於成本，不是主流，剩下四種都是被動接收
第二種是宇宙線粒子，有些高能物理過程會直接發射出電子、質子、介子，然後打到地球上，特點是能量很高，高於人類在地面上的加速器（如LHC）能夠達到的能量，但是越到高能數目越少，好處是可以在地面上進行觀測，這樣成本比較低，可以在地面上做得很大
第三種是電磁波（光子），這是最早發展起來最成熟的手段，最早是可見光波段，然後慢慢擴展到全波段：無線電（射電），微波，紅外線，紫外線，X射線，伽馬射線。由於大氣層的影響，除了可見光和射電，其他波段都要發射衛星到大氣層外面去，成本相對比較高。通過這個手段，我們對天文現象的理解已經極大的豐富了，電磁波最遠能夠觀測到宇宙誕生後30萬年
第四種是中微子，除了一些高能物理過程會產生中微子（在這種意義上，中微子和普通的宇宙線粒子區別不大），更重要的是中微子可以探測到宇宙誕生後一秒鐘，中微子與物質相互作用較小，需要比較大的探測設備，比如大名鼎鼎的IceCube，就是在南極洲冰層里搞了個長寬高都是一公里的超級巨大的傢伙
第五種就是前兩個月才第一次探測到的引力波，特點是特別弱，很難觀測到，好處是對象可以很遠很大，比如說可以追溯到宇宙剛剛誕生那一刻

有沒有一些理論中還未發現的物質是因為觀測手段不夠，所以還未發現的

最直接的例子就是理論預言的暗物質。正因為其「暗」，也就是難以通過電磁相互作用探測，所以至今未發現。同時，為了滿足一系列觀測限制，這種物質還得十分穩定，所以通過它自發的衰變探測也很困難。

現在在暗物質粒子的大前提下解決這個問題主要有三個思路。第一，通過理論提出的暗物質粒子互相反應，放出可以探測的高能粒子（如高能光子，但也可能是其他粒子），來間接探測原有暗物質粒子的存在。第二，通過理論提出的暗物質粒子和組成探測器的普通物質反應，導致的反衝等效應，來達到探測目的。第三，在粒子加速器中讓普通物質進行高能反應，以期望在產生的大量信號中探查到暗物質的特徵。

這三個方案都很困難，因為它們寄希望於常規條件下概率十分低的事件。加速器的方法，為了積累事件數所需要的能量，對現有項目的實現是個很大很大的挑戰。前兩種方法也是大海撈針，因為其他（非暗物質）產生的信號太強了，而假想中的暗物質信號又不能為實驗者所控制，人類處在比較被動的地位。

當然不夠啦我暈！

就算整個銀河系的所有資源都被地球人用來觀測宇宙，也是遠遠不夠的。

因為從大爆炸到現在，絕大部分和我們一起誕生的宇宙組成部分已經退行到我們永遠不可能觀測到的光錐之外了。

就算沒有這個因素，宇宙本身的尺度和結構也是我們僅僅通過觀測難以認清的。還需要輔助大量的計算和推演和腦補。

以下純屬個人看法，不喜勿噴！
首先137.5億光年左右。因為宇宙的年齡就差不多這個大小，再往前也是一片黑暗了，因為當時還沒有可見光能看到，而且看到的也是137.5億年前發生的事情這個是我們現在的極限了，因為我們不能超越光速。而且有理論宇宙是不停的在膨脹的膨脹的速度再加快，用現在的科技來說我們不可能看到宇宙中所有的東西。
這是我的個人理解
還有一種可觀測宇宙的理論目前的CMBR共動距離代表了宇宙半徑計算出了為140億秒差距大約為457億光年，大了將近2%。雖然宇宙的年齡為157.5億光年但是由於宇宙膨脹，我們現在可觀測一些最開始十分接近但是現在卻被計算為比137.5億光年遙遠的天體，可觀測宇宙直徑大約為280億秒差距大約930億光年可觀測宇宙半徑大約有460到470億光年之遙。
可觀測這個個名詞的意思是他不是依賴於現代技術的探測能力他僅僅代表理論上光線或是其他信號從物體到觀測者的可能。儘管原則上更多星系將會在未來被我們發現，但實際上更多的星系將會由於不斷膨脹而紅移大多以至於他們將會看上去在視野里消失，並不能被觀測到，我們必須要求他的過去發出我們可以接收的光線。
直觀的說我們現在還不能超越光速。而且沒有更高的科技可以使我們更直觀的觀測宇宙，時間的長河是我們無法逾越的，我們現在看到的東西也許是很多年前發生的，就像我們學歷史一樣，只是了解無法直觀的觀測。所以我們只能說是在慢慢的了解宇宙，還談不上觀測。

我只是一個愛好者而已，了解甚少，學識尚淺，發表的只是個人看法！

永遠都不夠

觀測手段夠的話，見到一個行星就看到上面有沒有生命，還用推測？

謝邀
答案是不可能夠宇宙有多大為什麼會存在這些問題只有宇宙之外的觀察者才知道

這個問題的答案在你提出問題後已經在你再次仰望星河時，浮現了吧。
人類永遠都不能，也無法豪邁的稱自己有看清宇宙的能力。。。。

我是一個虔誠的仰望星空者。

不能靠開天眼的奇人或外星人吧。
要靠酥康socon辯證邏輯推理演繹。靠磁子禪。

我們還是井底之蛙啊

肯定是不夠的，就像幾個世紀之前，人們發明瞭望遠鏡，就認為觀測的宇宙差不多了剩下的就是近遠問題，但是，這些僅僅是可見光的觀測範圍，到現在，各種波段的電磁波觀測手段都有，甚至還有其他匪夷所思的觀測手段，所以我們現在現在看過去和未來的我們站在未來看現在是一樣的。沒什麼理論性，就簡單的個人想法

謝邀

抖個機靈～

我們對宇宙的認識永遠都不敢說足夠超體中斯嘉麗開啟了更多的腦使用許可權後可以看到電波聲波看起來很奇妙似乎發現了一個新的世界
想想我們現在我們的世界基於我們的感官我們活在我們聽到的世界看到的世界摸到的世界想想很久以前的古代因為觀測手段不夠人們甚至理解不了遠程通訊的手段
隨著時代的進步更多的觀測手段會不斷的發展出來逐漸豐富我們的世界
因此發展永遠都不足夠

遠未足夠

電磁波窗口的空間解析度，能量解析度和時間解析度都有提升空間

引力波窗口在原理上的可行性已經被證實，但技術上仍有諸多困難，還未實現成像，成譜，極化觀測

中微子窗口的情況@史瓦西黑洞的答案很詳細，情形和引力波窗口類似，或者略好一些，也是原理上可行，但技術上挑戰極大。

上述三個窗口中第一個是傳統窗口，後兩個為非傳統窗口，如果能徹底打開，能獲得更豐富的信息，比如宇宙微波背景之前的事情

對於目前對宇宙少得可憐的了解，您覺得手段夠了嗎？
現在對宇宙的了解，就等於一個近視1000度的人，肉眼去看100米遠視力表3.0的E