沈俊太：對話宇宙探秘星系

李明麗

我們生活在地球上，地球運行在太陽系中，太陽系又運行在銀河系中，而星系是宇宙基本的構成單位，宇宙由上億萬個銀河系一樣的星系組成，但關于星系中各種結構的動力學成因，卻總是考驗一代又一代人的智力。

中科院上海天文臺研究員、博士生導師，星系動力學團組首席，中國科學院“百人計劃”入選者沈俊太就志在解開謎團，努力帶給更多人對宇宙的神秘向往，吸引越來越多的星空探秘人不斷探索未知領域?？蒲心_步繞地球一圈，回到祖國后的沈俊太，喜人成績接踵而來，而他卻總是說，需要繼續(xù)努力才能不斷前進。走近宇宙

自幼成長于普通農(nóng)村家庭的沈俊太，盡管當時的教育條件非常落后，但他依然以優(yōu)異的成績考取了山西省重點中學臨汾一中，并在那里逐漸對物理科學產(chǎn)生了濃厚的興趣。高考那年，他以優(yōu)異的成績考入中國科學技術大學。在大學校園濃厚的科研氛圍中，沈俊太不僅增長了知識，也開闊了自己的視野。

本科畢業(yè)后，沈俊太踏上了東行的航班，飛抵大西洋彼岸的美國。此后，他的學術之路便越走越遠，而身后留下的是一串星光熠熠的印記。1999年，他在美國西北大學物理與天文系獲得碩士學位；2005年，在美國羅格斯大學獲得天體物理博士學位。值得一提的是，沈俊太的博士論文榮獲2006年度羅格斯大學Richard J.Piano博士論文獎。同年，29歲的沈俊太作為Harlan Smith冠名博士后，開始了在德克薩斯大學奧斯汀分校的科研工作。無論是“博士論文獎”，還是“Harlan Smith冠名博士后”，都是這兩所著名大學里中國留學生首次獲得的榮譽。

遨游在神秘的宇宙，沈俊太主要從事星系結構及動力學研究。在銀河系的動力學結構中，他在棒旋星系，超大質(zhì)量黑洞的測量，星系翹曲等諸多領域都做出了重要貢獻。首次用無碰撞多體模擬的方法產(chǎn)生出了接近現(xiàn)實的雙棒星系，并首次發(fā)現(xiàn)了雙棒轉(zhuǎn)動速度的波動性，此模型可成功解釋雙棒星系的眾多觀測特征；通過對星系建立基于軌道迭加的自洽動力學模型，精確測量出了超大黑洞的質(zhì)量和星系暗物質(zhì)暈的質(zhì)量分布。

4年后，沈俊太入選中科院“百人計劃”，作為杰出海外人才回到了祖國的懷抱。落戶中科院上海天文臺的他，繼續(xù)從事著星系動力學的前沿研究。

其實早在回國之初，沈俊太還在學習重新適應國內(nèi)的新環(huán)境，甚至比在美國時還要加倍努力?！耙驗楦偁幖ち?，在天文學領域，國內(nèi)最近幾年發(fā)展迅猛。”沈俊太解釋道。他說，走得很快，是因為自己在一艘走得比其他船都要快的大船上。他所指的“大船”，無疑是正在飛速發(fā)展的中國。

經(jīng)過自己的不懈努力，沈俊太陸續(xù)獲得了國家自然科學基金等各項項目的資助，并作為科研骨干參與了自然科學基金委重點項目。他也參與了兩項國家“973”重大科學研究計劃，并取得了令人矚目的良好成績。他還為陸琰院士組織編寫的《現(xiàn)代天體物理》一書撰寫了“銀河系結構與動力學”等章節(jié)。他發(fā)表的多篇第一作者或通訊作者論文已經(jīng)被國際天文學權威教科書《星系動力學》《星系的形成與演化》及劍橋大學Gilmore教授主編、Springer科學出版社出版的最新國際天文百科全書“Planets，Stars and Stellar Systems”等著作多次引述。

這些科研成果也讓沈俊太逐步躋身于天文學國際專家行列。

探秘銀河動力學

多年來，銀河系的演化一直是天文學研究的熱點領域。銀河系是一個巨大的旋渦星系，學界通常認為它由星系盤、中心核球以及暗物質(zhì)暈組成。近年來，沈俊太團隊對銀河系的核球結構做出了嶄新的全面認識，提出了銀河系核球是個“偽核球”，并不包含一個顯著的經(jīng)典核球。

2010年，沈俊太基于高精度多體模擬研究了銀河系核球的動力學結構，發(fā)現(xiàn)一個棒旋星系模型與核球的眾多觀測數(shù)據(jù)吻合得極好，這表明銀河系核球其實就是側(cè)面看到的棒；它主要是由原初的星系盤通過自身動力學不穩(wěn)定性增厚而產(chǎn)生的“偽核球”。所謂“偽”，是相對于經(jīng)典核球而言——經(jīng)典的星系形成理論預言核球應該是在星系并合過后產(chǎn)生的。

目前的星系形成理論認為，像銀河系這樣大質(zhì)量的棒旋星系的形成，必須經(jīng)過若干次星系并合的過程，而星系并合不可避免地會在星系中心形成顯著的經(jīng)典核球。所以根據(jù)沈俊太的這項研究，現(xiàn)有的星系形成模型必須在星系尺度上有大的改進以解釋眾多類似銀河系的大質(zhì)量純盤星系，這也是目前研究星系形成和演化的一個尚未解決的重要難題，而沈俊太領導的該研究無疑為解決此難題開辟了新的窗口和思路。

沈俊太團隊的研究很快引起了國際天文學界諸多國外專家的高度關注，美國國家光學天文臺的網(wǎng)站首頁報道了沈俊太參與完成的銀河系核球區(qū)恒星巡天工作及他主導的動力學模型工作。而沈俊太的這項研究并沒有止步。在他的指導下，上海天文臺博士后李兆聿在銀河系結構研究中也取得了新的進展：在分析沈俊太給出的銀河系高精度模型的基礎上，他們發(fā)現(xiàn)銀河系核球區(qū)存在一個奇特的垂向X型結構，并對其做出了令人信服的動力學解釋。他們對銀河系核球模型進行了更仔細的分析，發(fā)現(xiàn)模型中也存在一個顯著的X型結構，其與銀河系的觀測數(shù)據(jù)符合得很好。這一重要發(fā)現(xiàn)使利用數(shù)值模擬來“觀測”盒狀核球的形成過程成為可能。

緊接著，星系動力學團組進一步探究了核球的X型結構。他們驗證了帶有X型結構的盒狀核球確實有規(guī)可循——源于棒結構中的恒星運動.指出先前理論工作推測的“香蕉型”軌道家族可能并非X型結構的主要組成部分.并提出了可供未來的銀河系巡天觀測驗證的理論預言。此外.他們還發(fā)現(xiàn)恒星視向速度與銀經(jīng)方向的自行也存在明顯的相關性。

上海天文臺星系動力學團組的核球系列論文在短短幾年內(nèi)已被國際同行引用兩百余次，并且被眾多權威綜述論文以及劍橋大學主編的國際參考書收入并配發(fā)原圖。與此同時，沈俊太的工作得到了國內(nèi)外同行的極大關注，他多次受邀在知名國際會議上闡述自己的研究成果，例如國際天文學聯(lián)合會會議的特邀綜述報告，第五屆東亞數(shù)值天體物理會議的一小時特邀講座，紀念林家翹先生創(chuàng)立密度波理論五十周年的國際研討會的邀請報告等，他也是國際專業(yè)會議“盤星系動力學”的兩個共同主席之一，并擔任國際天文聯(lián)合學會會議“Galaxy evolution through secular processes”的科學委員會成員。鑒于沈俊太取得的這些突出學術成績，他還應邀成為了美國自然科學基金委的會議評審專家，負責評審星系結構領域的申請書，并且在2016年獲得英國皇家學會的牛頓高級學者基金資助。

揭秘雙棒星系

沈俊太關于銀河動力學的研究無疑是他近年來重要的學術成果，并讓他蜚聲國際。而在其他研究方向上，他也絲毫沒有減慢腳步，同樣取得了令人矚目的成果。

“我們生活在銀河系之中，曾經(jīng)我們以為銀河系是一個普通的旋渦星系，現(xiàn)在已知道它原來是一個棒旋星系?！鄙蚩√告傅纴怼Ｆ鋵?，大部分旋渦星系都像銀河系一樣，因為星系盤自身的不穩(wěn)定性而在星系中心形成由大量恒星聚集而成的“棒”狀結構，這一類星系被稱為“棒旋星系”。其中，還有一個子類的棒旋星系很特殊，它們包含兩個棒，小棒嵌在大棒中.因其“二”而被稱為雙棒星系。

特殊不意味著它們很罕見，其實光學和紅外的觀測發(fā)現(xiàn)雙棒星系相對比較常見——約四分之一的早型棒旋星系是雙棒星系。由于通常這兩個星系棒的轉(zhuǎn)動速度和尺度都不相同，它們之間也進行相互作用，因此此類星系有諸多非常奇特的動力學特性。

然而，天文界對此類特殊棒旋星系的形成條件和過程一直沒有定論。此前一些理論認為，大量氣體的存在是形成中心小棒并同主棒解耦的必要條件。沈俊太與英國中央蘭開夏大學教授Debattista共同指導中國科學院上海天文臺博士研究生杜敏，在雙棒星系的形成與演化理論研究中取得了新進展。他們通過不含氣體的多體數(shù)值模擬方法研究棒旋星系的形成和演化，并通過系統(tǒng)探索參數(shù)空間，發(fā)現(xiàn)在純盤星系中心加入以有序運動為主導的動力學冷盤可以成功產(chǎn)生這種奇特的雙棒結構?！爱斝“襞c大棒平行時，小棒的強度比較弱但轉(zhuǎn)動更快些，而當二者垂直時，小棒的強度比較強但轉(zhuǎn)動比較慢。”沈俊太講述著雙棒星系在形成后呈現(xiàn)出的有趣的動力學特性。

目前該工作已經(jīng)于近期發(fā)表在國際核心期刊《天體物理雜志》上，并且已經(jīng)得到國際同行的關注。

闡明核環(huán)形成機制

在棒旋星系的長期演化過程中，

“棒”扮演了很重要的角色。其中最主要的一個方面就是星系棒可以驅(qū)動氣體內(nèi)流至星系中心區(qū)域，從而形成新的恒星。因而棒被認為可以重新分布星系的物質(zhì)、角動量及能量。

在棒旋星系中，科學家經(jīng)?？梢杂^測到很多由棒產(chǎn)生的氣體子結構，例如在棒旋轉(zhuǎn)方向的前側(cè)會出現(xiàn)高密度塵埃帶，以及在星系中心附近具有很強恒星形成率的核環(huán)。顯然這些結構的特征和產(chǎn)生條件與寄主星系特別是星系棒的性質(zhì)息息相關，但學術界此前對核環(huán)的形成條件、形狀、及大小等重要問題都沒有進行系統(tǒng)地解決。

沈俊太說：“之前的研究通常認為核環(huán)的位置接近于星系的某一特定半徑——內(nèi)林德布拉德共振（ILR）半徑，或在兩個ILR半徑之間，然而這些共振半徑嚴格來講僅在星系棒擾動較弱時才有意義。”

上海天文臺博士研究生李智在沈俊太與韓國首爾國立大學金雄泰教授的指導下，對棒旋星系中的核環(huán)進行了系統(tǒng)細致的數(shù)值模擬研究。他們利用高精度流體數(shù)值模擬，通過系統(tǒng)探索參數(shù)空間，發(fā)現(xiàn)模擬中的棒旋星系可以產(chǎn)生兩種核環(huán)，一種近似圓形并在棒的短軸方向輕微拉伸，另一種具有很高的橢率并和棒的主軸方向平行。

此外，他們還對核環(huán)的形成機制提供了新的解釋：由于核環(huán)是由氣體損失角動量（旋轉(zhuǎn)的能力）而落入星系中心堆積而成的，所以核環(huán)的位置取決于氣體的總角動量損失，以及星系中心的勢場分布。前者受星系中非軸對稱結構的特性控制.如棒的強度、軸比和轉(zhuǎn)動速度；而后者取決于星系中心軸對稱結構，如核球的大小，質(zhì)量分布。

“共振半徑解釋僅僅提供了一個核環(huán)形成的寬泛范圍，而我們的核環(huán)形成機制則可以更準確地預言核環(huán)的大小及形狀，因此適用面更廣，可以廣泛應用于具有核環(huán)的棒旋星系樣本中限制星系的物理參數(shù)，從而使我們更好地理解棒旋星系的演化規(guī)律?！鄙蚩√偨Y道。目前該工作已經(jīng)發(fā)表在國際核心期刊《天體物理雜志》上。

桃李滿天下

沈俊太在忘我工作的同時并沒有忘記培養(yǎng)新人的重任，他不僅是一個對事業(yè)孜孜不倦的學者、一個精益求精的科學家，更是一名誨人不倦的師長。

本著報效祖國的初衷，沈俊太認為應該把自己畢生所學傳授給自己的學生。他甘當人梯，致力于讓自己的學生也能夠逐漸成長為比自己更加優(yōu)秀的科學工作者。自2009年回國并擔任博士生導師以來，沈俊太就開始積極招收對科學研究興趣濃厚的學生和博士后，一支強有力的科研團隊也逐漸發(fā)展壯大。

在對學生的培養(yǎng)過程中，沈俊太積極吸取國外著名大學的經(jīng)驗，并結合自身體會，組織了一系列有利于提高學生科研素質(zhì)和科研能力的活動?！耙獙W會泛讀和精讀文獻；積極關注領域內(nèi)的最新成果；掌握做報告的重要技巧；要學會向別人展示自己的工作，加強學術交流。”沈俊太強調(diào)，為人師長不僅要教授學生科學知識，更重要的是培養(yǎng)他們對待科研的嚴謹態(tài)度和治學精神。他還為多名博士生創(chuàng)造了赴發(fā)達國家學習交流的機會，幫助學生們逐漸開闊國際視野。目前他組里的3名博士后均自歐美名校畢業(yè)，其中Simion博士2016年剛剛從英國劍橋大學天文系畢業(yè)。沈俊太的研究不斷吸引優(yōu)秀人才加入其團隊，這也讓研究團隊的實力進一步得到提升，他的團組也榮獲2015年上海市科技系統(tǒng)青年五四集體獎章。

和想象中不同，天文工作其實是極其枯燥的，科研工作者每天面對的是電腦中大量的數(shù)據(jù)和繁瑣的計算。然而，沈俊太卻似乎總能盡情地“享受”其中。生活中的他幽默風趣，喜歡自嘲。他著迷《辛普森一家》中在核電廠工作的Homer，“他常常為自己可愛的愚蠢而埋單，但卻具有驚人的自嘲精神”。除了自身過硬的專業(yè)能力，也正是他的這種獨特性格使自己在神秘而又繁雜的天文工作中游刃有余。