我在宇宙中考古

李海寧

我從事的職業(yè)是天文學(xué)研究，我關(guān)注的對(duì)象是銀河系里上千萬顆形色各異的星星。更準(zhǔn)確地說，我追尋的是宇宙中最古老的星星，我的終極目標(biāo)是，找到點(diǎn)亮宇宙的第一縷光。

和許多從事天文學(xué)研究的同行不一樣，我小時(shí)候的理想是成為一名考古學(xué)家。后來因機(jī)緣巧合，我進(jìn)入同樣酷炫的天文學(xué)領(lǐng)域。準(zhǔn)備讀博士研究生時(shí)，我發(fā)現(xiàn)竟然有“恒星考古”這個(gè)方向。于是兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，我以另一種方式實(shí)現(xiàn)了兒時(shí)的理想，成了一名“太空考古人”。而且我發(fā)現(xiàn)，在星空里考古的感覺居然相當(dāng)不錯(cuò)，它帶來的震撼也是難以想象的。

恒星考古，考的是啥

太陽是太陽系的大家長(zhǎng)，也是太陽系最重要的成員。因?yàn)樘?，地球才有晝夜變換、四季更替，才能獲得地球生命所需要的各種形式的能源。然而，在浩渺無際的宇宙中，人類仰慕和賴以生存的太陽只是一顆再平凡不過的恒星——按輩分來算，要排到恒星界的第N代了。恒星考古最關(guān)心的正是恒星界的老祖宗們——宇宙中的第一代恒星和第二代恒星。

根據(jù)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)大爆炸理論，大約138億年前，宇宙大爆炸產(chǎn)生了大量的氫、氦和極其微量的鋰。在這樣的環(huán)境下，第一代恒星誕生了，第一次點(diǎn)亮了整個(gè)宇宙。但可惜的是，第一代恒星個(gè)頭龐大，比100個(gè)太陽還要重，消耗能源的速度也異常驚人，所以都是“短命鬼”，只能活數(shù)百萬年，我們目前還沒有辦法借助望遠(yuǎn)鏡直接看到第一代恒星。最終，它們以絢爛而劇烈的超新星爆發(fā)結(jié)束了一生，將自己制造的各種新元素：碳、氮、氧、鈣、鐵、鋅等，拋射到星際中，繼續(xù)孕育它們的后代——第二代恒星。

幸運(yùn)的是，第二代恒星的個(gè)頭比太陽還要小，因此能夠一直活到今天，使我們有可能接收到它們的星光。由于從宇宙大爆炸到它們出生，時(shí)間間隔非常短，所以它們的年齡幾乎和宇宙一樣大。更重要的是，這些古老恒星擁有非常厲害的本領(lǐng)，能夠在自己的表面大氣層中保留出生地的特征信息。因此，通過分析這些古老恒星的性質(zhì)和成分，我們就能推演出它們?cè)谡Q生時(shí)，也就是宇宙嬰幼兒時(shí)期是什么模樣，發(fā)生了哪些事情。這些古老的小星星就如同遠(yuǎn)古宇宙留下的化石，而通過它們追溯遠(yuǎn)古宇宙的過程和在地球上考古如出一轍，因此被稱為“恒星考古”。

星海撈針，沒那么浪漫

在茫茫星河中尋找極其稀有的宇宙化石，收集它們的光芒，分析它們的成分，然后反推這些古老星星誕生時(shí)的宇宙是什么模樣——這就是我的研究?jī)?nèi)容。我既像個(gè)考古學(xué)家，又像個(gè)偵探。在許多人看來，這份工作既浪漫又酷炫。

事實(shí)上，和在地球上尋找恐龍化石一樣，要找到真正的宇宙化石，絕非易事。恒星考古就如同大海撈針，以太陽附近的空間為例，每20萬顆恒星中，僅能找到一顆讓我們心動(dòng)的宇宙化石。沒有足夠的“緣分”，真的很難遇到自己心儀的宇宙化石“種子選手”。剛讀研究生時(shí)，因?yàn)閿?shù)據(jù)庫不夠好，我耗費(fèi)半年時(shí)間初篩候選體，連續(xù)處理了大量的數(shù)據(jù)，最后也沒能找到有價(jià)值的信息。

不只是“海選”辛苦，接下來的“精挑”——對(duì)選出來的化石做高分辨率、高精度的光譜分析——更讓人崩潰。動(dòng)輒就是好幾百顆星星，每一顆星都有好幾百條譜線，每一條暗淡的譜線都需要細(xì)細(xì)測(cè)算。時(shí)不時(shí)還要推倒重來，反復(fù)分析。剛開始接觸高分辨率光譜分析的那個(gè)學(xué)期，我甚至有一次在夢(mèng)中因?yàn)橛龅揭粭l怎么都擬合不上的譜線而急醒。

因?yàn)槲覀兯芯康挠钪婊阈欠浅＿b遠(yuǎn)而暗淡，為了細(xì)致觀察它們的光譜，需要用到世界上最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。所以我常去的觀測(cè)地點(diǎn)之一是夏威夷。集齊了“星辰大?！?，這下終于可以實(shí)現(xiàn)浪漫了吧？起初我也是帶著這樣的憧憬出發(fā)的，可當(dāng)我到達(dá)觀測(cè)中轉(zhuǎn)站，眼前卻是另一番景象。

每次觀測(cè)，我都要一頭扎在那座遠(yuǎn)離海灘和人群、海拔4000米的火山山頭上。雖然關(guān)于浪漫的想象似乎破滅了，但我們其實(shí)格外珍惜每一次觀測(cè)機(jī)會(huì)，因?yàn)樯暾?qǐng)競(jìng)爭(zhēng)異常激烈，我們必須與全世界的同行通過自由競(jìng)爭(zhēng)來申請(qǐng)使用權(quán)限，一般成功率也就百分之幾。更重要的是，就算你披荊斬棘成功拿到了使用望遠(yuǎn)鏡的機(jī)會(huì)，也并不意味著你就一定能夠順利完成觀測(cè)任務(wù)——因?yàn)閷?duì)觀測(cè)天文學(xué)者來說，在光學(xué)波段觀測(cè)，就和從前種莊稼一樣，得靠天吃飯。

第一次去夏威夷觀測(cè)，我申請(qǐng)到兩個(gè)觀測(cè)夜，抵達(dá)的第二天卻突然變天，觀測(cè)無法繼續(xù)。我有些沮喪，同行的合作者是有20年經(jīng)驗(yàn)的日本天文學(xué)家青木教授，他非常淡定地開導(dǎo)我：“沒關(guān)系，觀測(cè)經(jīng)常會(huì)遇到這種情況。”

第二年，我們?cè)俅蜗嗉s夏威夷。第一天晚上觀測(cè)到一半，突然云涌了上來，陰雨一直持續(xù)到第二天。如果說上一次觀測(cè)的成功率是50%，那么這次只有25%。青木教授依然淡定，安慰我說：“別難過，我遇到過比這還糟糕的情況?！?/p>

第三年，我們又一次來到夏威夷，觀測(cè)當(dāng)天上午艷陽高照，但下午3點(diǎn)多，老天爺突然開了個(gè)大玩笑，我們迎來了當(dāng)?shù)?0多年難遇的一場(chǎng)春季暴雪！很快，大雪封山。這一次，我們甚至連觀測(cè)室都沒能進(jìn)去，青木教授嘆了口氣說：“這是我目前遇到過的最糟糕的情況了?！倍遥惨虼双@得了一個(gè)觀測(cè)天文學(xué)者避之唯恐不及的諢名——夏威夷雪神。

每當(dāng)這時(shí)，我都不由得感嘆：再浪漫的工作，具體到現(xiàn)實(shí)中的每分每秒，都是平凡而瑣碎的。

有時(shí)，你還需要一點(diǎn)運(yùn)氣

當(dāng)然，夏威夷不只有雨雪交加，還有科學(xué)發(fā)現(xiàn)的驚喜。第二次觀測(cè)的時(shí)候，由于天氣遲遲不見好，大家只能坐在一起聊天，從宇宙起源一直聊到國(guó)際局勢(shì)。凌晨3點(diǎn)，大家都有點(diǎn)撐不住了。為了挽救尬聊的場(chǎng)面，我號(hào)召大家：“來看看昨天的觀測(cè)數(shù)據(jù)吧！”“這顆不錯(cuò)?！薄斑@顆也挺老的，”“嗯？”突然，我發(fā)現(xiàn)有一條光譜似乎有問題，這個(gè)地方不應(yīng)該有這么強(qiáng)的吸收特征。當(dāng)時(shí)我的第一反應(yīng)是我們的數(shù)據(jù)處理出問題了。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)3個(gè)人輪番排查，終于排除了技術(shù)錯(cuò)誤的可能性，這證明我們看到的是一條真實(shí)存在的、超強(qiáng)的鋰元素吸收線！

探測(cè)到鋰我們?yōu)楹稳绱思?dòng)？其實(shí)，不僅對(duì)人類來說，鋰是重要的微量元素，對(duì)恒星來說也是如此。而我們所關(guān)注的古老宇宙化石恒星尤其缺乏鋰，在正常光譜中，鋰線的位置通常沒有什么波動(dòng)，現(xiàn)在卻強(qiáng)到出乎意料！

于是，我第一時(shí)間給從事理論研究的合作者寫了封郵件求解。等待回復(fù)的那幾天，我內(nèi)心非常糾結(jié)：一方面希望能得到合理的解釋，另一方面又暗暗希望他們解釋不了。在隨后的一段時(shí)間里，我們進(jìn)行了各種測(cè)試，但都沒能完整地解釋我們看到的奇異現(xiàn)象。美國(guó)《科學(xué)新聞》雜志第一時(shí)間對(duì)我們的發(fā)現(xiàn)進(jìn)行了報(bào)道，這讓我開心了好幾天。更讓我興奮的是，平時(shí)總是理論學(xué)家指導(dǎo)我們進(jìn)行實(shí)測(cè)，這一次，我終于可以給理論學(xué)家制造一點(diǎn)“麻煩”了。

從那之后，我們開始重點(diǎn)關(guān)注鋰線特征，并且陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了好幾顆這類奇特的“宇宙化石”?，F(xiàn)在，我們正聯(lián)手理論學(xué)家嘗試解釋，它們究竟是從遠(yuǎn)古宇宙的什么地方獲取了那么多鋰。這是一個(gè)現(xiàn)有理論無法解答的問題，如果有一天找到了答案，將有可能改寫人類對(duì)于宇宙中元素起源的認(rèn)知。

在星空中“埋頭考古”了10年，我們成功找到了將近400顆“宇宙化石”，它們誕生于130多億年前，也組成了目前世界上最大的化石恒星數(shù)據(jù)庫。這些“宇宙化石”恒星就像一把通往未知的鑰匙，可以幫助我們追溯生命物質(zhì)的宇宙起源，是我們解答這一宇宙終極問題的關(guān)鍵。

今天，恒星考古迎來了全新時(shí)代。除有郭守敬望遠(yuǎn)鏡、蓋亞探測(cè)器等大規(guī)模巡天設(shè)備開展全天掃描式的觀測(cè)之外，我們還有詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡這種先進(jìn)設(shè)備的助力。因此，我們能夠在更廣闊的宇宙空間開展太空考古，也能看到更遙遠(yuǎn)、更遠(yuǎn)古的神秘宇宙。

恒星考古還能撫慰心靈

于我而言，恒星考古不僅是一項(xiàng)流程煩瑣、有挑戰(zhàn)的技能，還是我們窺探宇宙鴻蒙之初的一扇窗口，更是我們對(duì)周遭世界產(chǎn)生全新感知的路徑：我們身上的每一個(gè)原子，氫、氧、碳、鈣、氮、磷，和古老的“宇宙化石”幾乎一模一樣，都穿越了130多億年的時(shí)空，從大爆炸而來，從宇宙的起源而來。我們每個(gè)人都來自星塵，這是科學(xué)事實(shí)。

某次，一位朋友因?yàn)楣ぷ魃鲜艽於晕覒岩?，極度憂郁，我便用這套理論開導(dǎo)她：“你身體里大約有70%是水，對(duì)應(yīng)8.6%的氫，它們都是宇宙大爆炸時(shí)產(chǎn)生的！所以，這個(gè)120斤的你就攜帶著差不多9斤來自大爆炸的氫！你完全是具有宇宙意義的重要存在?。　迸笥崖犃?，更難受了：“你才120斤呢！”

玩笑歸玩笑，對(duì)我來說，感受到這一點(diǎn)真的很酷。雖然無論是從質(zhì)量、空間，還是從時(shí)間演化的尺度上來說，人類相比宇宙都非常渺小，但是，從生命元素的起源來說，我們每個(gè)人的身體里都留下了宇宙大爆炸的證據(jù)，我們每個(gè)人對(duì)宇宙都具有特殊的意義。我和你，每一個(gè)人都是。

（大浪淘沙摘自《環(huán)球》2023年第18期）