我研究的你有上億光年的距離

Richard

未名湖的星軌圖

兒時的繁星閃閃，今天的人馬座科研

我與天文學(xué)的淵源要從小時候跟媽媽一起乘涼時說起。上小學(xué)的時候，夏天的夜里經(jīng)常跟媽媽一起在街上乘涼。街上的十字路口最為通風(fēng)涼爽。媽媽喜歡坐在椅子上，邊扇著蒲扇邊，與鄰居們話著家常，而我對她們的閑聊并不感興趣。深夜站在那里，望向正南方天空，在靠近地平線的位置，總會有十幾顆中等亮度的恒星引起我的注意，它們彼此近距離排列，附近亦沒有亮度特別出眾的恒星存在， 所以這一恒星組合在南方天空格外顯眼。淡淡的銀河也恰好穿過它們，流向南方地平線。我當(dāng)時推斷這肯定是某個星座，但手里沒有星圖，所以并不知道它的名字。

后來我知道那是人馬座，古人稱其為“南斗”，此星座低垂在南方低空，與北方天空鼎鼎大名的北斗七星遙遙相望。 那個時候天空實在是太干凈了，以至于連高度較低的人馬座都是那么矚目。（高度較低，即靠近地平線，意味著星光要穿過更厚的大氣層，大氣的消光作用將使恒星看起來更暗淡一些。）我對天文學(xué)的熱情就是從那時候逐漸培養(yǎng)起來的。

棒旋星系結(jié)構(gòu)圖

銀河系內(nèi)的一個年輕星團(tuán)

十幾年后，我有幸進(jìn)入燕園，攻讀我一直向往的天文學(xué)專業(yè)，并成為北大星系研究課題組的一員。想不到兒時經(jīng)常觀看的人馬座天區(qū)，其背后竟然隱藏著神奇的超級天體，它位居銀河系C位，仿佛是整個銀河系的統(tǒng)治者。人馬座對于現(xiàn)代天文學(xué)的意義重大，因為那里正是銀河系中心（銀心）所在的位置?，F(xiàn)代天文觀測表明，每個星系中心都存在著超大質(zhì)量黑洞，其中位于我們銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞-人馬座A*，質(zhì)量相當(dāng)于400多萬個太陽。

對于黑洞的探索成為天文學(xué)研究最熱門的領(lǐng)域之一。今年，我們課題組的一位美國合作者，曾經(jīng)因?qū)︺y河系中心黑洞—人馬座A*的研究，獲得了今年的諾貝爾物理學(xué)獎。 她的貢獻(xiàn)是，通過研究銀河系中心附近恒星的軌道特性，間接證實了銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的存在。

不用做實驗也沒法做實驗的理科

天文系規(guī)定研究生入學(xué)第一年的主要任務(wù)是上課，第二年，學(xué)生就在導(dǎo)師指導(dǎo)下開啟科研生涯。

前沿科學(xué)研究從來都不是一件容易的事情，它意味著我們要提出全新的科學(xué)問題，攻破前人未能克服的困難。這與我們中學(xué)時期解答理科試題有很大不同，探索科學(xué)奧秘更像是一種基于大量深入學(xué)習(xí)之后的創(chuàng)作活動。在這一過程中，對于科研人員來說，攻堅克難的毅力、勇氣和決心，是必不可少的。

鑒于科學(xué)研究的難處，導(dǎo)師通常會留給學(xué)生足夠多的自由時間去思考與嘗試。

在北大天文系，學(xué)生與導(dǎo)師之間通常每周或每兩周見面一次，屆時學(xué)生將向?qū)焻R報最近的科研情況，包括已經(jīng)取得的進(jìn)展、遇到了什么問題、有什么困難等。導(dǎo)師給出合理的建議，但不可能對于學(xué)生遇到的任何一個問題給出具體的答案，畢竟導(dǎo)師為學(xué)生安排的研究方向都是全新的、前人從未做過的。導(dǎo)師主要在自己學(xué)生研究的大方向上起把控作用，從而避免學(xué)生在無謂的科學(xué)問題上鉆牛角尖，浪費寶貴的時間和精力。

與其他物理類專業(yè)不同，天文學(xué)研究的目標(biāo)都是宇宙中遙遠(yuǎn)而巨大的天體，其尺度和距離至少需要用光年作為計量單位。也就是說，這是一門無法做實驗的學(xué)科，因為這些天體太遙遠(yuǎn)了。比如在北大天文系，絕大多數(shù)老師和同學(xué)研究的目標(biāo)都是距離我們至少上億光年外的各種星系，即使人類乘坐光速飛船，也要飛上個數(shù)億年才能到達(dá)。人類只能利用大型地面望遠(yuǎn)鏡和太空望遠(yuǎn)鏡對它們進(jìn)行觀測拍攝，記錄圖像和光度的能量分布，比如對于指定天體，進(jìn)行不同波段和曝光時間的拍攝。天文學(xué)家的主要任務(wù)則是使用計算機(jī)，借助一些數(shù)學(xué)、物理方法，以及一些天文軟件包，來分析和處理這些觀測數(shù)據(jù)，然后就可以直接獲得圖像中各種天體的物理參數(shù)，比如亮度、大小、距離、速度、軌道、表面溫度、能譜分布（星體在各個波段的亮度）等。通過直接測量而獲得的這些天體參數(shù)將有助于我們推斷其他隱藏物理量，比如年齡、質(zhì)量、恒星形成率、氣體和塵埃性質(zhì)等，下一步的工作將涉及挖掘更深層次的物理規(guī)律，比如天體的形成與演化、動力學(xué)和化學(xué)等，當(dāng)然這取決于研究人員具體的科學(xué)目標(biāo)。

由于天文學(xué)研究不需要做實驗，而且大型望遠(yuǎn)鏡的運行與維護(hù)有專業(yè)的技術(shù)人員來負(fù)責(zé)，因此筆記本電腦成為我們最重要的研究工具，如今便攜式筆記本電腦的功能越來越強(qiáng)大，借此可以進(jìn)行圖像處理與分析、程序計算、數(shù)據(jù)模擬、論文寫作等各類天文學(xué)研究所必不可少的環(huán)節(jié)?？梢哉f，利用電腦足以實現(xiàn)90%以上的科研任務(wù)。因此北大天文系的研究工作，沒有嚴(yán)格的辦公場地限制，我們不會像其他專業(yè)的研究人員那樣，局限在特定的實驗室內(nèi)。只要背包里有電腦，在任何場所我們都能靜下心來工作。例如餐館、咖啡店、宿舍、高速運行的地鐵上、鳥獸出沒的未名湖邊、樹林或者草坪上。自由的環(huán)境氛圍，有利于緩解學(xué)生的壓力，促進(jìn)科學(xué)成果產(chǎn)出。我喜歡去辦公室對面向陽側(cè)的公共會議室工作， 那里陽光充足，窗外的銀杏樹在這個時節(jié)滿樹金黃，非常漂亮，再沖上一杯熱咖啡，工作起來十分愜意也很有效率。

空間上自由的優(yōu)勢自新冠疫情暴發(fā)之后，顯得尤為明顯。就在其他科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)生苦于無法回學(xué)校做實驗、憂患延期畢業(yè)之際，我們的科學(xué)研究卻進(jìn)行得如火如荼。居家工作，借助網(wǎng)上視頻舉行會議、探討科學(xué)問題， 即方便又高效。就拿我所在的課題組來說，疫情期間不少學(xué)生都取得了很大的項目推進(jìn)。

冬天的科維理門口

如今，各大高?；謴?fù)正常的教學(xué)科研活動。天文系的學(xué)術(shù)活動在傳統(tǒng)模式的基礎(chǔ)上，也增加了線上渠道，使那些遠(yuǎn)在海外的學(xué)生和老師能夠遠(yuǎn)程參與。經(jīng)過疫情的洗禮，系里的工作方式變得更為彈性靈活，這是很大的進(jìn)步。

學(xué)術(shù)活動就散落在緊張生活中

作者拍攝的未名湖湖心島

在科維理（北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所），每一個導(dǎo)師給自己學(xué)生安排的課題基本上都是一塊難啃的骨頭，學(xué)生都承受著發(fā)文章、畢業(yè)和找工作的壓力。這里的老師就更忙了，可以說身兼數(shù)職，除了教學(xué)和科研工作之外，還要寫文案申請國家自然基金的資助，并且要去世界各地交流、做報告，來尋求科研項目的國際合作。這有點像創(chuàng)業(yè)者。一些厲害的教授作為領(lǐng)導(dǎo)者，還需要處理一些行政事務(wù)?？凭S理是面向全球招聘教師的，能來這里的老師均是各研究領(lǐng)域的頂尖學(xué)者，都是工作狂人。個別導(dǎo)師的繁忙程度可以說比學(xué)生高100倍都不為過。我記得一位老師說吃完飯回來繼續(xù)，就馬上以百米沖刺的速度跑上電梯。這簡直就是在與時間賽跑啊。

為了緩解人員的工作壓力，校方和科維理所會盡量為我們提供寬松的科研環(huán)境。科維理的環(huán)境很美，它所在的朗潤園是燕園中保存最為完好的古園林，主體部分由一個環(huán)形池塘（朗潤湖）和中央島嶼（朗潤島）組成，這里同樣已有數(shù)百年的歷史，湖岸基本維持著原來的面貌。由于地處燕園最北端，平時人煙稀少，徜徉在其中，仿佛置身于世外桃源，又不乏厚重的歷史文化底蘊(yùn)，是校園里休閑散步的絕佳地點。

如果說校園（朗潤園）為我們的科學(xué)研究提供了幽靜秀美的外在自然環(huán)境，那么科維理所則扮演著人員之間的學(xué)術(shù)探討和日常關(guān)系維護(hù)的載體角色。在這里，學(xué)術(shù)交流活動十分頻繁，每周都會有來自世界各地的學(xué)者和學(xué)生來此交流訪問。每周四請一位學(xué)者來做一場學(xué)術(shù)報告，是科維理所多年來的例行慣例，稱之為 colloquium。但這種看似嚴(yán)肅的活動，卻以十分輕松自由的形式開展。首先，所里會鼓勵，但不強(qiáng)制必須參與，個人可以根據(jù)報告內(nèi)容與個人研究方向的相關(guān)性來自主決定，而且來去自由，中途有事退場也沒關(guān)系;其次，所里的行政人員，會提前準(zhǔn)備很多甜點、水果和飲品，這樣下面的人員可以邊吃邊聽，營造輕松的氛圍;最后，報告結(jié)束后，所里的老師會帶報告人去附近的餐館吃晚宴（dinner），學(xué)生可以自愿參加，一切費用由所里報銷。

每周的Lunch talk， 是一種規(guī)模更小的學(xué)術(shù)活動，所里會邀請報告人在中午時做一個報告，由于正值吃飯時間，所里會為聽眾準(zhǔn)備免費的午餐。報告之前，每個人會收到群郵件，自己選擇葷餐，還是素餐，然后由行政人員負(fù)責(zé)下單。 由于可以愉快地邊聽邊吃，所以這種活動十分受歡迎。

研究生之間也有學(xué)術(shù)交流活動，同樣是以報告的形式。相關(guān)的負(fù)責(zé)人會邀請所里的一些博士后或者高年級學(xué)生來講一講最近的工作進(jìn)展，也會請一些其他科研機(jī)構(gòu)的學(xué)生過來講。報告時間是在傍晚，所里同樣會提供晚餐。這一活動稱之為 Lunch discussion 或者 Dinner talk。

那遙遠(yuǎn)的星團(tuán)，你到底如何演化？

讀研期間，導(dǎo)師給我安排的課題是研究近鄰星系中的年輕大質(zhì)量星團(tuán)。眾所周知，我們的太陽系隸屬于銀河系，而銀河系是一個異常龐大的天體系統(tǒng)，包含上千億顆恒星（太陽就是其中一顆很普通的恒星），銀河系整體呈盤狀結(jié)構(gòu)，其成員星的運行由萬有引力主導(dǎo)，可以說都在圍繞銀河系中心運轉(zhuǎn)，我們的太陽系僅處于這個“大盤子”的邊緣位置。

盡管銀河系包含如此多的天體，但對于宇宙來說，它就像一塊漂浮在太空中的小小“島嶼”，其周圍還有很多類似的“島嶼”，它們充斥著整個宇宙，而我所研究的近鄰星系說白了就是離我們銀河系比較近的其他星系。

不識廬山真面目，只緣身在此山中。由于我們身處銀河系中，所以無法看清自己所在星系的全貌。 但借助于大型天文望遠(yuǎn)鏡，我們可以看清近鄰星系的樣子，進(jìn)而研究它們的結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)以及形成和演化，這將有助我們反推銀河系的樣子。 研究近鄰星系的主要障礙是距離，雖說是“近鄰”，但距離我們通常都在3000萬光年以上，對于人類來說可望而不可及。銀河系的直徑約為10萬光年，把地球放在星系尺度下比較，實在是太過渺小了。由于這些“近鄰”星系太過遙遠(yuǎn)，人類肉眼無法在夜空中看到它們，必須用大型天文望遠(yuǎn)鏡對其進(jìn)行觀測研究。

星團(tuán)是存在于星系中的一種天體系統(tǒng)，顧名思義，就是很多恒星聚集在一起，由相互之間的引力維持。成員星的數(shù)量由幾千顆（疏散星團(tuán)）到幾十萬顆（球狀星團(tuán)）不等，年齡范圍在數(shù)千萬年（疏散星團(tuán)）到100億年（球狀星團(tuán)）之間。所以我所研究的“年輕大質(zhì)量”星團(tuán)就是那種整體年齡在數(shù)千萬至數(shù)億年間、由幾萬到幾十萬顆恒星組成的引力聚合體。從天體物理學(xué)角度來看，它們算是才形成不久。

家鄉(xiāng)的星空

科維理門口的星空

這種星團(tuán)在銀河系內(nèi)較難發(fā)現(xiàn)，通常要在近鄰星系中尋找。我的研究是基于哈勃太空望遠(yuǎn)鏡所拍攝到的高分辨率星系圖像數(shù)據(jù)。哈勃望遠(yuǎn)鏡最大優(yōu)勢是在太空中觀測天體，不會受到地球大氣層的干擾，所以它的觀測分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于地面的大型望遠(yuǎn)鏡。

由于距離遙遠(yuǎn)，即使在哈勃的觀測下，這些星團(tuán)也只是星系中的一塊塊延展的光斑，無法分辨其中的單顆恒星，因此只能研究它們的整體性質(zhì)。

這類星團(tuán)通常只在星系的特定部位出現(xiàn)，比如在旋臂和環(huán)核星爆環(huán)中。我的研究聚焦于環(huán)核星爆環(huán)（以下簡稱“星爆環(huán)”）中的那些年輕大質(zhì)量星團(tuán)。星爆環(huán)是宇宙中棒旋星系的子結(jié)構(gòu)，其形成主要是由于星系棒在起作用。在星系棒的非對稱引力場的作用下，星系外圍的氣體和塵埃沿著棒的邊緣流向星系中心（即星系核），然而它們通常無法到達(dá)中心。在距離星系中心特定距離處，由于某種動力學(xué)共振的作用，氣體塵埃的流向會逐漸改變，形成一個環(huán)繞星系核的塵埃氣體環(huán)。隨著星系外圍的物質(zhì)持續(xù)不斷地沿著棒往里流，環(huán)中的物質(zhì)密度逐漸增加，當(dāng)達(dá)到一定的臨界密度后，將引發(fā)大規(guī)模的恒星形成，整個環(huán)被恒星的光芒點亮，故名“星爆環(huán)”，其中“爆”寓意大量恒星短時間內(nèi)爆發(fā)式出現(xiàn)。因此這里是尋找和研究年輕大質(zhì)量星團(tuán)的理想場所。星爆環(huán)靠近星系中心，運動速度快，且環(huán)中物質(zhì)密度相比星系其他結(jié)構(gòu)要高很多，因此這里的環(huán)境變化異常劇烈。我們的目的就是要研究這里的環(huán)境如何影響年輕星團(tuán)的演化。

畢業(yè)后，我繼續(xù)留在科維理做博士后研究，轉(zhuǎn)為研究星系團(tuán)，而非星團(tuán)。星系團(tuán)是由眾多星系通過引力紐帶聚集在一起的、尺度更為巨大的天體系統(tǒng)。相比星團(tuán)，星系團(tuán)的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，而且距離更為遙遠(yuǎn)。

目前，我的研究正在有條不紊地進(jìn)行中。這些年來，燕園和科維理給了我難得的追求自由與夢想的機(jī)會，這是我所收獲的最大財富和幸運。

責(zé)任編輯：樸添勤