天文學(xué)家的科研日常

小到一粒塵埃，大到整個宇宙，都藏有無窮秘密。天文學(xué)家就像一群偵探，從蛛絲馬跡中去了解星星、星團(tuán)、星系，乃至整個宇宙表觀和內(nèi)在的物理規(guī)律。

可蛛絲馬跡從哪里來呢？這里要感謝一位偉人——400 年前發(fā)明望遠(yuǎn)鏡的意大利天文學(xué)家、物理學(xué)家伽利略。借助于望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家可以觀測到太陽系以外的星空。

我們的主要工作是觀測天文現(xiàn)象，模擬天文預(yù)測，建立理論模型來解釋天文現(xiàn)象。其中，測光和光譜是天文學(xué)中最常用的兩種觀測手段。

晴朗的夜晚，讓望遠(yuǎn)鏡對著星星拍照，然后統(tǒng)計所拍星星在單位時間內(nèi)收集到的光子數(shù)——這就是我們常說的測光。

如果望遠(yuǎn)鏡的終端是光譜儀（將成分復(fù)雜的光分解為光譜線的科學(xué)儀器）， 星星的光子透射和反射后會形成一條紅橙黃綠青藍(lán)紫的彩帶，然后收集彩帶上不同頻率的光子——這就讓我們得到了光譜。

隨著望遠(yuǎn)鏡孔徑的變大和拼接鏡面的發(fā)展，天文學(xué)迎來了新時代。天文學(xué)家可以在地面和空間，多頻次地從射電、紅外、光學(xué)、紫外、X射線、伽馬射線全波段研究觀測天體。

我最初進(jìn)入天文研究階段，恰逢中國南極科考隊進(jìn)行第24次南極科學(xué)考察。這一次，南極科考隊首次在南極冰穹A 安裝了4個口徑為14.5厘米的小望遠(yuǎn)鏡陣列CSTAR。我的研究課題， 就是對CSTAR 在2008年獲得的350G海量測光數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，尋找變源，并對天文臺址冰穹A 做評估。

為什么要把望遠(yuǎn)鏡放置于南極？

因為天文觀測對天文臺址有較高的要求：天氣穩(wěn)定、水汽少、大氣透明度高，沒有城市燈光的污染。或者說，越不適合人類居住的地方，越適合天文觀測。

圖1：一顆星的孔徑測光方法（供圖/王靈芝）

圖2：一個雙星系統(tǒng)的光變曲線（供圖/王靈芝）

南極大陸是地球表面最好的天文臺址之一。首先，這兒天氣極冷，水汽極少——水都凝結(jié)成冰了，空氣也比較穩(wěn)定。其次，它遠(yuǎn)離人類的生活區(qū)域。而且，南極大陸還能實現(xiàn)長時間連續(xù)不間斷的極夜觀測，觀測條件能與太空觀測媲美！

此外，美國夏威夷和智利北部沙漠也非常適合天文觀測，加之便利的交通條件，這些地方安裝有世界上絕大多數(shù)的、不同口徑的望遠(yuǎn)鏡。

作為觀測天文學(xué)家，我們的一項主要工作，就是對同片天區(qū)多次拍照，再對每張照片進(jìn)行測光。

具體來說，照片上的每一顆星，其亮度是從中心向邊緣逐漸減弱的。我們先畫一個小圓圈作為它的測光孔徑（如圖1 的紅色圓圈），把這個圓圈內(nèi)的光子計數(shù)加起來，然后在這顆星的周圍畫兩個圓圈構(gòu)成一個環(huán)，統(tǒng)計環(huán)里每個像素的平均光子值，并作為這顆星的背景值。當(dāng)我們把這顆星的背景值減去后，就得到了這顆星的光子孔徑測光值。

為什么要減去背景值？因為測光孔徑內(nèi)每個像素上的ADU（一種光子計數(shù)單位）計數(shù)，包括來自天體和天空背景的光子ADU計數(shù)。例如，如果某天是滿月，月光會成為很亮的背景，我們看到星星的數(shù)目就少；如果沒有月亮與云，天空背景低，我們就可以看到更多星星。所以，減去背景值即去掉這顆星的干擾因素。

獲得了星星的一系列光子計數(shù)后，我們再將其按時間順序排列，就得到了星星的光變曲線。圖2展示了CSTAR 觀測的一個雙星系統(tǒng)一天的觀測數(shù)據(jù)。當(dāng)一顆星擋住另一顆星的時候，整個雙星系統(tǒng)的亮度會變暗。因為這個系統(tǒng)的周期很短，所以在一天內(nèi)能看到它重復(fù)了3 次多。

除了南極，我們不可能在地球其他地方（因為沒有極夜條件。北極有極夜，但它是海）獲得同一個望遠(yuǎn)鏡一天24 小時的觀測數(shù)據(jù)。CSTAR獲得的這些海量測光數(shù)據(jù)，證實了在南極冰穹A 開展長時間連續(xù)不間斷測光的可行性，對天文研究有著重要意義。

“路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索”。宇宙中有著太多現(xiàn)在還無法解釋的現(xiàn)象，但隨著技術(shù)的發(fā)展以及觀測樣本的增加，相信有朝一日我們一定可以揭開它們的神秘面紗。

（責(zé)任編輯 / 陳琛 美術(shù)編輯 / 周游）