觀(guān)神秘宇宙 解星系之謎

徐芳芳

宇宙空間內(nèi)存在一種密度無(wú)限大，體積卻無(wú)限小的天體，它就是神秘的“黑洞”。所有的物理定理遇到黑洞都會(huì)失效。這一神奇現(xiàn)象無(wú)疑引起眾多天文愛(ài)好者的好奇，施勇自是其中的一位。在近20年里，他一直致力于活動(dòng)星系核和恒星形成研究，并取得諸多突破性成果。他成功獲得4項(xiàng)國(guó)際空間望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)計(jì)劃的支持，解決了活動(dòng)星系核中塵埃環(huán)的觀(guān)測(cè)認(rèn)證、宿主星系的恒星形成率的測(cè)量、經(jīng)典恒星形成定律在低氣體密度下的重大缺陷以及化石星系恒星形成效率等關(guān)鍵性問(wèn)題，先后在國(guó)際一流天文期刊發(fā)表高水平論文近20篇（第一作者），被國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家廣泛引用。

赴美科研十年活動(dòng)星系核取突破

1980年，施勇出生在素有“魚(yú)米之鄉(xiāng)”之稱(chēng)的浙江。年少時(shí)的他稟賦凜然，高考那年金榜題名，以?xún)?yōu)異的成績(jī)考取北京大學(xué)地球物理系。4年的青蔥歲月轉(zhuǎn)瞬即逝，20D3年施勇遠(yuǎn)赴以觀(guān)測(cè)天文最為著名的美國(guó)亞利桑那大學(xué)天文系攻讀博士學(xué)位，隨后他又進(jìn)入美國(guó)加州理工大學(xué)紅外研究中心任博士后。此行一去就是10年。在美國(guó)學(xué)習(xí)工作的10年間，施勇不僅接觸到很多世界一流的觀(guān)測(cè)設(shè)備，關(guān)注了世界研究前沿，更重要的學(xué)會(huì)了如何從事一項(xiàng)研究。

一直以來(lái)，施勇的主要研究方向是星系的形成和演化過(guò)程。作為現(xiàn)代天文學(xué)最熱門(mén)的研究課題之一，此方向所涉及到的各種繁復(fù)的物理過(guò)程賦予了它極大的科學(xué)挑戰(zhàn)性。施勇通過(guò)5年系統(tǒng)的博士學(xué)習(xí)及4年的博士后工作實(shí)踐，在活動(dòng)星系核和恒星形成兩個(gè)方面均取得了具有一定國(guó)際影響力的科研成果。

大質(zhì)量黑洞的吸積，即活動(dòng)星系核，是星系形成和演化過(guò)程中一個(gè)重要的發(fā)展階段。對(duì)活動(dòng)星系核的研究，就是理解大質(zhì)量黑洞的吸積過(guò)程、吸積發(fā)生時(shí)的物理以及吸積是如何影響宿主星系的。活動(dòng)星系核的統(tǒng)一模型首先提出于上世紀(jì)80年代末。作為統(tǒng)一活動(dòng)星系核各種觀(guān)測(cè)現(xiàn)象的理論工具，統(tǒng)一模型為理解大質(zhì)量黑洞的吸積過(guò)程提供了重要的理論框架。統(tǒng)一模型的重要假設(shè)就是在大質(zhì)量黑洞周?chē)嬖谥粋€(gè)由氣體和塵埃組成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，然而這個(gè)結(jié)構(gòu)的存在一直沒(méi)有被直接證明。施勇則通過(guò)研究黑洞的X射線(xiàn)消光強(qiáng)度（表征氣體柱密度）和紅外的消光強(qiáng)度（表征塵埃的柱密度），發(fā)現(xiàn)了兩者之間存在相關(guān)性。這個(gè)結(jié)果無(wú)疑為證明大質(zhì)量黑洞周?chē)_實(shí)存在環(huán)狀結(jié)構(gòu)提供了強(qiáng)有力的觀(guān)測(cè)證據(jù)：同時(shí)這個(gè)相關(guān)關(guān)系進(jìn)一步表明了環(huán)狀結(jié)構(gòu)里的氣體和塵埃的分布不是連續(xù)的，而是一片片的氣體和塵埃云。該工作已受到國(guó)際同行的廣泛關(guān)注，在2008年的天文和天體物理學(xué)報(bào)上有專(zhuān)門(mén)一整段文字介紹該工作及其所包含的物理意義。

隨著實(shí)踐的檢驗(yàn)，活動(dòng)星系核的統(tǒng)一模型在解釋活動(dòng)星系核的各種觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)上獲得了巨大的成功。然而從2000年開(kāi)始，有天文學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了幾十個(gè)異常奇怪的活動(dòng)星系核——它們?cè)赬射線(xiàn)波段沒(méi)有消光，但是光學(xué)上又看不到寬發(fā)射線(xiàn)。因此，這些天體一度被認(rèn)作是對(duì)統(tǒng)一模型的極大挑戰(zhàn)。施勇在閱讀相關(guān)文章時(shí)，就設(shè)想通過(guò)spitzer望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)來(lái)驗(yàn)證這類(lèi)天體是否真的挑戰(zhàn)統(tǒng)一模型。在成功申請(qǐng)到spitzer望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)時(shí)間后，施勇開(kāi)展了細(xì)致的研究，最終他發(fā)現(xiàn)這些天體中的絕大部分要么是X射線(xiàn)波段有嚴(yán)重的消光但沒(méi)被測(cè)量到，要么就是有很強(qiáng)的時(shí)變性。由此見(jiàn)得，這類(lèi)天體其實(shí)跟統(tǒng)一模型理論是相符合的。論文一經(jīng)發(fā)表，施勇就收到美國(guó)加州大學(xué)Aaron Barth教授的評(píng)價(jià)：“終于有人對(duì)這類(lèi)天體作了系統(tǒng)性的認(rèn)證”。

相較于射電寧?kù)o活動(dòng)星系核，射電強(qiáng)活動(dòng)星系核的統(tǒng)一模型還需要考慮噴流的電磁輻射。于是，施勇通過(guò)spitzer望遠(yuǎn)鏡的觀(guān)測(cè)，較早并系統(tǒng)性地確立了噴流的射電亮度和塵埃環(huán)的紅外亮度存在很好的相關(guān)性。這個(gè)相關(guān)關(guān)系表明噴流和塵埃環(huán)的電磁輻射能量都起源于大質(zhì)量黑洞的吸積。為了進(jìn)一步確立噴流的電磁輻射機(jī)制，他又利用spitzer紅外空間望遠(yuǎn)鏡的高靈敏度和高空間分辨率觀(guān)測(cè)了臨近的FR1射電星系M87，并在噴流中的各個(gè)區(qū)域都測(cè)量到紅外發(fā)射，這表明極高能電子的存在，同時(shí)要求電子在噴流內(nèi)部不斷地被加速。

在了解了大質(zhì)量黑洞的吸積過(guò)程后，新的問(wèn)題又隨之而來(lái)，黑洞在什么樣的星系里才會(huì)發(fā)生吸積7施勇試圖通過(guò)系統(tǒng)測(cè)量宿主星系的恒星形成率和恒星質(zhì)量以尋求答案。

測(cè)量活動(dòng)星系核宿主星系的恒星形成率為理解大質(zhì)量黑洞吸積的物理?xiàng)l件提供了重要的觀(guān)測(cè)限制。這類(lèi)測(cè)量也將有助于理解過(guò)去20年間天文學(xué)界最重大的發(fā)現(xiàn)之一，即大質(zhì)量黑洞質(zhì)量與星系核球質(zhì)量之間的相關(guān)關(guān)系。這種關(guān)系暗示著黑洞的吸積和恒星形成是通過(guò)某種物理機(jī)制相互協(xié)調(diào)的。

為了理解和確定可能的潛在機(jī)制，第一步則要精確測(cè)量活動(dòng)星系核里的恒星形成。然而，作為最活躍活動(dòng)星系核的類(lèi)星體，一直以來(lái)也都很難被測(cè)量到其恒星形成率，主要還是因?yàn)楹阈切纬傻陌l(fā)射完全淹沒(méi)在黑洞自身的強(qiáng)輻射中。在以前的研究過(guò)程中，施勇發(fā)現(xiàn)類(lèi)星體的紅外光譜中存在只有恒星形成才有的特性，即多環(huán)芳烴的輻射。于是，他利用這個(gè)特性系統(tǒng)地測(cè)量了臨近類(lèi)星體（共200個(gè)天體）中的恒星形成，最終發(fā)現(xiàn)類(lèi)星體的恒星形成率要高于一般星系的恒星形成率。

基于這個(gè)結(jié)果，施勇成功拿到了spitzer紅外空間望遠(yuǎn)鏡25個(gè)小時(shí)的觀(guān)測(cè)時(shí)間。通過(guò)這次觀(guān)測(cè)，他進(jìn)一步把研究延伸到8億年前的類(lèi)星體，從而確定了類(lèi)星體中恒星形成的宇宙演化。前后兩篇論文的重要性就在于較早地通過(guò)大樣本確立了類(lèi)星體宿主星系有很高的恒星形成率，為星系理論模型提供了重要的觀(guān)測(cè)限制。后來(lái)，兩項(xiàng)工作受到國(guó)際同行的廣泛引用。

隨著研究的深入，施勇意識(shí)到對(duì)于黑洞吸積的研究主要集中在大質(zhì)量宿主星系里，而缺乏對(duì)于低質(zhì)量星系里黑洞吸積的了解。于是他利用巡天數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在低質(zhì)量星系里也存在黑洞吸積現(xiàn)象，但發(fā)生的頻率要遠(yuǎn)低于大質(zhì)量星系，但在早期宇宙中發(fā)生的頻率又有所提高。這項(xiàng)研究可以表明，黑洞吸積發(fā)生的概率跟星系質(zhì)量和宇宙時(shí)代兩者相關(guān)。

專(zhuān)注化石星系 國(guó)際先聲奪人

除了活動(dòng)星系核，恒星形成也是施勇的研究方向之一。恒星形成的研究是為了理解星系形成和演化過(guò)程中氣體是如何塌縮形成新的恒星，換言之就是探究什么物理機(jī)制影響了恒星形成。

恒星形成定律用來(lái)描述恒星形成率和氣體質(zhì)量密度之間的相關(guān)關(guān)系，是理解恒星形成重要的經(jīng)驗(yàn)工具，也被廣泛地應(yīng)用于星系演化的理論研究。眾所周知，最著名的Kennicutt-Schmidt恒星形成定律通過(guò)3篇論文最終確立，但是這個(gè)定律存在著嚴(yán)重的缺陷，即不能解釋在低氣體密度條件下的恒星形成。施勇在研究星系的紅外光譜時(shí)卻偶然地發(fā)現(xiàn)了一個(gè)相關(guān)關(guān)系，隨后他通過(guò)嚴(yán)格地研究，定義了一個(gè)新的恒星形成定律。據(jù)施勇介紹，這個(gè)新定律只要在原來(lái)基礎(chǔ)上引入恒星質(zhì)量密度，就可解決原先存在的嚴(yán)重缺陷。在天文和天體物理年度評(píng)論中曾有專(zhuān)門(mén)一句話(huà)強(qiáng)調(diào)這個(gè)新發(fā)現(xiàn)的定律是目前已知的最好定律，同時(shí)也已經(jīng)被植入到著名的星系理論模型Galacticus中。

星系并合一度被認(rèn)為是引發(fā)恒星形成最有效的機(jī)制。根據(jù)此機(jī)制推斷，從8億年前至今，宇宙的恒星形成率降低了10倍。然而對(duì)于星系并合在這個(gè)過(guò)程中起到的作用有很大的分歧。施勇利用當(dāng)前Hubble空間望遠(yuǎn)鏡最深曝光的數(shù)據(jù)改進(jìn)了測(cè)量星系形狀的方法，研究表明8億年前的星系并合的比例被低估了近2倍。

在美國(guó)亞利桑那大學(xué)期間，施勇曾成功申請(qǐng)到Spitzer紅外空間望遠(yuǎn)鏡上3個(gè)觀(guān)測(cè)項(xiàng)目。Spitzer望遠(yuǎn)鏡是美國(guó)宇航局耗資8億美元打造的大型軌道天文臺(tái)計(jì)劃的最后一臺(tái)空間望遠(yuǎn)鏡。這3個(gè)項(xiàng)目的觀(guān)測(cè)目標(biāo)是研究活動(dòng)星系核的紅外特性。2011年，在美國(guó)加州理工大學(xué)紅外研究中心任博士后期間，施勇又成功拿到Herschel紅外空間望遠(yuǎn)鏡的用于研究恒星形成的觀(guān)測(cè)項(xiàng)目。Herschel望遠(yuǎn)鏡是歐洲空間局建造的大型紅外空間望遠(yuǎn)鏡，耗資10億歐元的Herschel望遠(yuǎn)鏡作為空間科學(xué)“基石”項(xiàng)目，是歐空局研制的最為復(fù)雜的航天器。先后4個(gè)項(xiàng)目，從最初的想法到最后項(xiàng)目申請(qǐng)書(shū)的完成都是由施勇獨(dú)立完成，并且都被評(píng)為第一等優(yōu)先項(xiàng)目。2013年，施勇結(jié)束了在美國(guó)的科研工作，以“青年千人計(jì)劃”身份回到祖國(guó)，落戶(hù)南京大學(xué)天文和空間科學(xué)學(xué)院。

基于歐洲航空局Herschel紅外空間望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)項(xiàng)目“極端貧金屬星系高空間分辨率的紅外圖像”的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，再結(jié)合其他已經(jīng)公開(kāi)的數(shù)據(jù)，施勇申請(qǐng)了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“極端貧金屬星系：塵埃特性和恒星形成”，以系統(tǒng)性研究極端貧金屬星系（化石星系）的塵埃特性和恒星形成?！盎毙窍凳且活?lèi)保留了宇宙原初星系的一些特性但又離我們比較近的天體，其鄰近性使得天文觀(guān)測(cè)成為可能。

正如考古學(xué)家探究人類(lèi)的祖先，天文學(xué)家追溯天體的起源：第一代恒星是怎么形成的7在遙遠(yuǎn)的130億年前，也就是宇宙大爆炸之后5億年左右，荒蕪貧瘠的宇宙，起源于大爆炸的“原初”氣體開(kāi)始坍縮形成第一代恒星，照亮了原先黑暗的宇宙。這些遠(yuǎn)古恒星是今天我們?nèi)祟?lèi)所生活的太陽(yáng)系、銀河系的源頭。然而，我們對(duì)于遙遠(yuǎn)的“祖先”知之甚少，因?yàn)樵缙诤阈请x我們?nèi)绱酥h(yuǎn)，它們的亮度如此之弱，以至于世界上最強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡都很難直接探測(cè)。因此，施勇另辟蹊徑，想到一種新方法，“就像考古學(xué)家考古一樣，我們先研究一下化石星系，從化石星系中可以得到一些線(xiàn)索從而還原出宇宙第一代星系是如何形成的?！闭抢眠@樣的星系，施勇首次從觀(guān)測(cè)上證實(shí)了低金屬豐度氣體極難形成恒星，該成果發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)雜志《自然》上。

2016年3月，施勇率隊(duì)趕赴西班牙，進(jìn)行為期10天的觀(guān)測(cè)任務(wù)。常言道“科研無(wú)坦途”，對(duì)于天文學(xué)者來(lái)說(shuō)更是如此。他們先飛往德國(guó)，轉(zhuǎn)機(jī)時(shí)遇上飛機(jī)晚點(diǎn)，凌晨才抵達(dá)西班牙，又改坐大巴抵達(dá)觀(guān)測(cè)山腳下，后換坐纜車(chē)、鏟雪車(chē)，就這樣經(jīng)過(guò)一路“折騰”，一行人才最終到達(dá)山頂。觀(guān)測(cè)地海拔3000米，加上旅途勞頓，隊(duì)員們都出現(xiàn)了嚴(yán)重的高原反應(yīng)。他們來(lái)不及調(diào)整休息，立刻展開(kāi)觀(guān)測(cè)行動(dòng)——采用世界上最大的毫米波望遠(yuǎn)鏡，連續(xù)8天，每晚12點(diǎn)至次日凌晨8點(diǎn)，每天8小時(shí)，又恰逢冬季最寒冷的時(shí)節(jié)，條件的艱苦程度可想而知。然而，大家團(tuán)結(jié)一致，不畏艱辛，最終收獲了成功的觀(guān)測(cè)成果。當(dāng)觀(guān)測(cè)信號(hào)慢慢出現(xiàn)時(shí)，興奮的神情爬上了每個(gè)人的臉龐，因?yàn)檫@是國(guó)際上首次在化石星系中觀(guān)測(cè)到分子氣體，該成果發(fā)表在《自然》子刊上。

俗話(huà)說(shuō)好事成雙。不久后，施勇作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人申請(qǐng)到了屬于世界最好望遠(yuǎn)鏡之一的智力ALMA望遠(yuǎn)鏡的觀(guān)測(cè)時(shí)間。殊不知即使是成員國(guó)家申請(qǐng)通過(guò)率也不到20%，我國(guó)作為非成員國(guó)家，參與競(jìng)爭(zhēng)就更加激烈。2016年有來(lái)自全世界的1500個(gè)申請(qǐng)，中標(biāo)的難度可想而知。而施勇也坦言，確實(shí)不容易。盡管如此，他憑借著前沿的科研設(shè)想，加上嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼撟C，最終成功拿到了觀(guān)測(cè)時(shí)間，且屬最高級(jí)別。

如今回國(guó)4年，施勇不僅得到了項(xiàng)目資金支持，并與國(guó)際同行達(dá)成合作，科研工作一切都在有條不紊地進(jìn)行之中，同時(shí)他也肩負(fù)起傳道授業(yè)解惑的責(zé)任，竭盡全力為大家提供資源、創(chuàng)造環(huán)境，以使團(tuán)隊(duì)中的每位成員發(fā)展成為獨(dú)立優(yōu)秀的研究人員。未來(lái)，施勇會(huì)帶領(lǐng)著自己這支強(qiáng)有力的科研團(tuán)隊(duì)，在神秘的宇宙中探索更多的未知。