在南半球观星:最诗意的仰望星空

用一口64米口径的射电望远镜,对准浩淼而充满诗意的南半球夜空

南半球神奇的星空,远远地吸引着我们的心灵。这一次,中国国家天文台宇宙暗物质与暗能量研究团组首席科学家陈学雷,跨越重洋,来到了位于澳洲的帕克斯天文台,他用那口64米口径的射电望远镜,对准了浩淼而充满诗意的南半球夜空……

作者|陈学雷

国家天文台宇宙暗物质与暗能量研究团组

首席科学家

陈学雷是我国国家天文台宇宙暗物质与暗能量研究团组首席科学家,1999年毕业于哥伦比亚大学物理系博士,之后回国,入选中科院百人计划,主要从事宇宙学和粒子天体物理学的理论和数据分析研究。研究课题也包括星系形成,特别是宇宙第一代发光天体的形成、再电离以及其21厘米观测等。ELLEMEN 于2014年在顶尖天文学家专题中曾对他进行过专访。该文为“天问与观星”系列专栏之一。

飞机离开悉尼向西飞去,透过舷窗,可以看到荒无人烟的山脉从机翼下掠过,上面是茂密的丛林,还有延伸上百公里的悬崖峭壁和峡谷,这就是澳大利亚著名的蓝岭。渐渐地,山脉和丛林被抛在后面,代之以起伏的丘陵、草地或农田。我向外眺望着,不知道要去的这个帕克斯(Parkes)到底是个什么样子。

我去帕克斯是为了用那里的射电望远镜进行观测。天文学是一个相当国际化的学科领域,世界上大多数天文望远镜都是向全世界天文学家开放的。虽然拥有望远镜的单位对本单位或本国的科学家会给予更多优先权,但几乎每一个大型望远镜都有一些观测时间被分配给来自国外的申请。望远镜时间分配委员会定期进行评审,根据每项申请在科学研究上的价值和技术上的可行性打分、分配观测时间。帕克斯有一台64米口径的射电望远镜。这台望远镜的年龄比我还大,是1961年建成的。经过不断地升级改造,现在这仍是一台非常强有力的射电望远镜,还在不断产生着新的科学成果。

飞机在一个小城镇着陆了。我下了飞机走到机场外,也许因为只有我一个人是亚洲人面孔的缘故吧,站在那里的出租车调度毫不犹豫地走上来指着一辆车对我说,Mr. Chen,那是你的车。车是帕克斯天文台帮我预订的,司机是个六十多岁的老头,他上来就递给我一把名片,说请我回中国时帮着宣传宣传。名片上有照片,是位手抱吉他、戴着墨镜、打扮得挺酷的名叫亨利的歌星,在车上聊了一会儿我才明白原来歌星就是这位老司机先生。

为了让我看看市容,亨利开车穿过帕克斯市区,这里还挺兴旺的,有不少的时装店、咖啡馆等。他告诉我,这里一度有过淘金热,金子采完之后以农业为主。帕克斯是19世纪的一个政治家,号称“澳大利亚联邦之父”,在淘金热时代曾来这里做过一次演讲,后来本地人就将此城改名为帕克斯了。我问他演唱些什么歌曲,他说他自己写一些歌,另外他也喜欢演唱猫王的歌。帕克斯市以猫王节著称,每年一月份(澳大利亚的夏季)世界各地的猫王爱好者们会聚集到这里,打扮成猫王的模样,演唱他的歌,以纪念这位早逝的天才,到时不仅旅馆爆满,而且还会有很多房车,草地上也扎满帐篷,非常热闹。

车子驶出帕克斯市,又开了半个小时,我们远远地看到那巨大的白色天线了。上世纪50年代,澳大利亚决定建一台大型射电望远镜,尽管当时大多数射电天文学家们住在悉尼附近,而当时从悉尼来这里还要花不少时间,但是考虑到悉尼发展很快,将来城市产生的无线电干扰可能是很大的问题,他们还是毅然决然的选择了当时还相当偏远的帕克斯。这是一个非常正确的决定:如果选在悉尼市郊,我们今天就不可能再用这台望远镜进行观测了。

车子驶下高速公路,沿着一条较窄的路开了一会儿,来到一道铁门前,上面写着帕克斯天文台,两边是木栅栏,亨利自己下车把门推开,车子又向前开了一小段距离,停在一座平房前。亨利告诉我到了,这就是来观测的天文学家所住的宿舍,他帮我把箱子拎下车,就开车离去了。

我走到门前按门铃,铃响了,但里面没有任何动静。门上有密码锁——大部分来的天文学家都不是第一次来,他们知道密码而我却不知道,帕克斯天文台的人也没想起预先告诉我。这是星期天的下午,南半球的春天,阳光暖暖地晒在身上,一些蜜蜂和苍蝇在周围嗡嗡地飞着——澳大利亚的苍蝇特别多,尽管那里的环境挺干净的。我绕着房子转了一圈,在房子背后找到了一扇没有锁的门,推开之后是洗衣房,门内写着“别忘了锁门”——幸亏还是有人忘了。从这里我终于进入了观测者宿舍。宿舍的一半区域是客房,有两个走廊,入口处都有厚重的大木门,上面用英文写着“任何时刻都可能有观测者在睡觉——请勿在此区内交谈或打电话”。另一侧则是生活区,有装备齐全的厨房,宽敞的餐厅,还有一个会议室和一个图书室。在厨房门口的一块白板上贴着一张纸,上面有来访的天文学家的名字,到达和离去的时间以及分配的客房,我的名字也在上面,分配给我的是6号客房。客房里有床、桌子、衣柜,厕所和浴室则是共用的。我已经很累了,于是先睡了一觉。醒过来后已是傍晚,走到厨房,拉开冰箱,看到里面有一些放好了食物的盘子,每个盘子的保鲜膜上都已写好了人名,热热就可以吃。我拿起标着“Chen”的盘子,今天的晚餐是意大利面条。这里的微波炉上有专门的金属网罩,以尽可能屏蔽微波对一公里外的射电望远镜的干扰。

吃饭时,一个小伙子从外面走了进来。他自我介绍是牛津大学的研究生丹尼,为这望远镜研制了一台新的数字相关器,正在这里进行调试,我们也将使用这一设备。他告诉了我房子的密码。吃完饭,我向望远镜方向走去,我们的观测明晚才开始,今夜没有事情,只是熟悉一下环境而已。从宿舍到望远镜有大约一公里的距离,是一条笔直的林荫大道,大道的一侧是一片草地,另一侧隔着铁丝栏是无边无际的麦田。黄昏里,一群袋鼠在路两边吃草,远远看到有人来,先是站起来眺望来人,待人走近了就用两条后腿蹦跳着翻过铁丝栏逃进麦田了,在很远的地方还可以看到它们的头在麦田里一跳一跳地出没。

路边的袋鼠

回到宿舍,为了给明天的观测做好准备,我开始阅读望远镜操纵手册。现代的天文望远镜大多有比较自动化的计算机控制系统,操纵并不难,一般高中毕业生稍经培训就可以胜任。世界上大部分天文台都雇有专门的观测助手,他们并不需要有很多天文知识,但熟悉如何操纵望远镜,并了解望远镜的状态和癖性,来观测的天文学家只需把观测计划交给他们,由他们负责操纵望远镜即可。对于常规的观测,甚至无需亲自到望远镜那里去,只要提交了观测计划,事后下载数据就行了。但是,帕克斯望远镜却是个例外,虽然过去帕克斯也曾有过专门的操纵员,但也许是为了节省开支,现在却没有了,要进行观测的天文学家需要亲自来动手观测。

二战时澳大利亚作为英国的属国,有不少科学家参加了雷达的研究,战后他们转行搞当时刚刚兴起的射电天文学,因此澳大利亚从一开始就站到了射电天文学研究的前沿,许多早期著名的射电天文学发现都是澳大利亚科学家做出的。到了50年代后期,美国、英国都开始建造大型的射电望远镜,澳大利亚也决定建一个大型的射电望远镜。由于当时澳大利亚的工业还不发达,因此这台望远镜的结构设计是英国做的,而制造则是由西德的一家公司完成的,只有土建承包给澳大利亚本土的公司,从开始设计到建造完成仅用了短短五年时间。澳大利亚天文学家用它做出了许多重要的发现,很多南天的射电源的编号上都以PKS(帕克斯)开头,可以说它是当时澳大利亚科学的象征,它的照片甚至还上过澳大利亚的钞票。

从技术上说,这台望远镜有一个设计得非常巧妙的地方。各种天体都会随着地球的转动而东升西落,因此在观测时要始终对准跟踪一个天体,望远镜必须跟着转动。这一转动的轴与地球转动轴的方向平行(在北半球,就是北极星的方向),相对于地面是倾斜的,倾角等于当地的纬度。对于小望远镜,这不是什么大问题,倾斜就倾斜好了,因此很多小型的光学天文望远镜采用这种“赤道式”设计。但是,射电望远镜的尺寸远大于光学望远镜,对于帕克斯望远镜这样重达上千吨的望远镜,要让倾斜的轴带动望远镜转动就太难了。解决这一问题的办法是,象炮塔一样,设垂直和平行于地面的两根轴,通过同时转动这两根轴,让望远镜指向所需的位置。对于现代的望远镜来说,这不成问题,因为现代的电子计算机可以随时计算出这两根轴应该转动到什么位置,换句话说,完成从天球赤道坐标到地平坐标的转换。但是在建造帕克斯的年代,计算机还是稀罕的庞然大物,而且运算速度也不快,不可能用在望远镜上,那么如何随时算出这两个轴应转动到多少度以保持准确跟踪呢?帕克斯望远镜的设计者用一个很简单的办法解决了这个问题:在望远镜两个转动轴的交叉处造了一个小的赤道式望远镜(当然不是真的望远镜,只是徒有其形而已),需要跟踪的时候通过转动赤道转轴,可以很容易地把小望远镜指向正确的位置,然后再通过机械装置,让大望远镜的两个轴转动到使大天线主轴与小望远镜对齐的位置上。这样,用当时的技术就实现了快速准确的跟踪。想出这个主意的是英国著名的发明家瓦里斯(Barnes Wallis),他有很多新颖的发明,包括设计二战中著名的威灵顿轰炸机。不过,他最有名的发明是在二战中,想出了用类似打水漂的跳弹投弹方式摧毁德国的水坝。

Barnes Wallis

次日早上,我走到设在望远镜旁的一排平房里的办公室报到。按照要求,我完成了两个培训,一个是安全培训——主要是念安全须知,另一个是望远镜操作培训。我已读过操作手册,但还需要有人带我到现场看一遍。一位工作人员领我走进了望远镜下的塔楼。塔楼分三层,一层除了厕所和储藏室外,有一个小厨房,里面有冰箱、热水器、咖啡机,还有一些饼干。他叹了口气,说这里以前给值班的天文学家们准备了许多好吃的点心,但是帕克斯望远镜就要改造成通过远程控制操纵了,以后天文学家们不必来这里了,因此现在点心也没几样了。二楼有一个可以开电话会议的会议室,还有一个控制室,里面有一排计算机屏幕,观测的天文学家就在这里值班,通过计算机控制望远镜。这里还贴着一张电话号码表,上面是每天轮值的工程师和驻站天文学家名单和号码,我们在培训中被告知,遇到各种情况时该给谁打电话。三楼放着一排一排的机柜,这是这台射电望远镜的五脏六腑:不同频率和类型的接收机和数字相关器。这里还有手动操纵望远镜的控制面板。这次培训的主要内容就是如何用手动控制完成最简单也是最重要的两个操作:启动望远镜和停放望远镜。这主要包括按顺序按动几个按钮,要等着望远镜慢慢移动到位,相应指示灯亮起后,再按动下一个按钮。这项内容学完,我就算有操作望远镜的资质了。然后我们从这里爬上了更上面一层的户外平台看看望远镜,这是望远镜天线的支撑平台。几位技工正在天线上进行一些维修,我们的观测将在晚上开始。这一次,我们有六天的观测时间,每次观测都安排在晚上。

下午,李斯特尔来了。我们这个项目的参加者总共有近二十人,分布在好几个不同的国家和地区。这次有四个项目成员前来参加观测:澳大利亚的李斯特尔(Lister),我和我的研究生小李,还有来自台湾的小廖。不过,我们当中只有李斯特尔用过这一望远镜,他是澳大利亚一位相当资深的射电天文学家,观测经验非常丰富。

晚上7点,李斯特尔和我准时走进了二楼观测室,丹尼和帕克斯的一位工程师也在那里。我们将选用多波束接收机进行观测:抛物面状的天线把电波反射到主焦点上,馈源将这些信号馈入电路,经放大后转换成随时间快速变化的数字信号,数字相关器则处理数字信号,通过傅立叶变换给出其频谱,或者再做一些其它处理。帕克斯的多波束接收机有十三个喇叭状的馈源,每个有两个偏振方向,每个馈源指向稍稍不同的方向,这样我们就可以同时观测更大的一片天区。这台接收机本来有自己的数字相关器,不过,丹尼研制的数字相关器有更宽的带宽和更好的性能,因此我们将同时使用这两个数字相关器。李斯特尔和丹尼讨论了一会儿所用的中频设置,然后把参数写在白板上,帕克斯的工程师则忙着调整接收机的增益设置。然后,李斯特尔开始教我用计算机控制望远镜的指令,随后开始试着接收数据。

帕克斯望远镜计算机控制系统的软件用一些鸟的鸣叫声报警:那些清脆、悦耳的叫声表示程序正常执行完毕,呱噪声表示有一些不正常的地方,而凄厉的叫声则表示严重的问题。一开始我们有许多凄厉的叫声,丹尼和那位工程师试验、修改着各种设置,经过一个多小时后,鸟鸣声终于变得好听起来。有一个馈源的一路偏振信号不正常,但无法可施,只好放弃它了。但除此之外,剩下的信号都正常,系统运行步入正轨,于是丹尼和工程师离开了。李斯特尔在计算机上编写好一个自动控制脚本,随着脚本执行望远镜便开始正常运行起来,这时已经10点了,我建议李斯特尔回宿舍去吃晚饭:按照规定,必须有一个人值守,我先值守,等他吃完了我再去吃。谦让了一下之后李斯特尔走了,过了大约半个小时他回来了,很不满地说,晚饭只是一根骨头!我回去后发现,的确如此,预先放在冰箱里的晚饭是一根羊的腿骨配土豆泥和豌豆,腿骨上的肉又少又硬,实在很难吃!回到望远镜值班室,李斯特尔又教了我一些望远镜的控制指令。

过了午夜,我建议李斯特尔回去休息,我则留下值班。在帕克斯,这是所谓的“一人值塔”(one-man-in-tower)观测模式,为了安全,对这一模式他们有一套特殊的规定。塔内有自动计时器,每隔15分钟我必须按一次,否则(比如我睡着了或晕倒了)系统就会通过电话自动向一个预先指定的人报警——他必须离现场不远,这一次我们指定的当然是回到宿舍的李斯特尔,他接到报警必须查看我的状态,确保我平安无事。如果他也没有反应(比如睡得太死了),过一会儿后系统将向专门的保安公司报警,后者会来查看情况,这是一个帕克斯独有的制度。

冲上一杯咖啡,我开始阅读李斯特尔教我的这些控制指令的手册,琢磨着怎样控制这台望远镜。对于我来说,进行这种观测是一种全新的经历。当初我在大学里学习的专业是理论物理学,笨手笨脚的我很高兴从此和做实验说byebye。那时我从未想到自己将来会再做实验或者观测,因为我曾读到过杨振宁先生写的一篇文章,他说费米是最后一位既做实验又做理论的物理学家,而费米在上世纪50年代就已去世了。那时我想象中的理论物理学家是象爱因斯坦那样,在书桌或黑板前冥思苦想,构造抽象、复杂的理论模型。也许,还会花一些时间在计算机前编程,画出一些曲线以便和别人的实验结果加以比较。后来我发现自己对这一职业的设想大部分还是比较准确的,但是在宇宙学或者更一般地说天体物理这个学科里,理论和观测之间的鸿沟并不象杨先生所说的那么大,许多天文学家可以既做理论又做观测。更出乎我意料的是,在学生时代令我十分讨厌的实验和观测却突然变得相当有吸引力了。现代物理学的理论是非常抽象的,你必须抛弃很多在日常生活中早已习以为常的直觉和概念,因为宇宙本身是非常奇怪的。因此,现代的物理学理论,把一系列复杂、精密的实验结果,总结成诸如相对论协变性、叠加原理、规范对称性、超对称性等等这些数学上的抽象性质,然后你设想一些多维空间、粒子、场、弦、膜等等各种非常玄妙的东西,试着用这样构造的理论去解释充斥着宇宙而人们却又无法看到的暗物质、暗能量,或者描述大爆炸之后10的负三十几次方秒的暴胀宇宙。当你发表了一些这样的论文并被同行们引用之时,一方面你为自己的聪明才智自鸣得意,另一方面有时也会产生一种怀疑:这些理论真的和现实世界有关吗?还是仅仅是一种幻想或者数学游戏?有时你情不自禁地会想亲自动手检验一下这些理论,而幸运的是,在天文里这竟然还是可以做到的!

天渐渐亮了,我的第一次观测就要结束了。我终断了正在运行的计算机控制系统脚本,发出指令让望远镜指向天顶。现在计算机其实还只能把帕克斯望远镜近似指向天顶,最后移动到停放位置还要手动。我爬上三楼,完成了手动关闭程序,望远镜稳稳地停在指向天顶的位置,然后走回宿舍睡觉。

睡了一上午后,我起身离开宿舍,回到望远镜旁。为了节省开支,帕克斯天文台不再为来访的天文学家准备午餐了(但还有早餐和晚餐)。宿舍里到处都贴着通知:要吃午餐就到碟咖啡馆(Dish Cafe)去。碟咖啡馆就在望远镜旁,离望远镜不到一百米,那是帕克斯天文台的一个游客中心,每天白天开放,招待旅游者,游客中心里面有关于天文和这台望远镜的展览,还有纪念品商店,碟咖啡是它的餐馆,也是方圆几公里内唯一的餐馆。作为天文学家去那里吃午餐有优惠价。

正如我们中国人喜欢把圆形的抛物反射面天线俗称为“锅”一样,在英语里这种天线被俗称为“碟”。碟咖啡馆这个名字,与2000年的一部电影“碟”(Dish)有关,这是当年澳大利亚最热映的一部故事片,讲述的就是帕克斯天线的一个故事。故事发生在我出生的那一年——1969年,当时美国发射了阿波罗11号飞船,尼尔·阿姆斯特朗成为第一个登上月球的人,在这次载入人类史册的壮举中,帕克斯望远镜(“碟”)也立下了功劳,它负责接收从月球传来的电视信号,因此我们看到的尼尔登上月球的画面,就是来自这里。这部电影的故事情节颇为生动:几位澳大利亚科学家在帕克斯值守望远镜,他们中有一人与美国NASA派来的代表发生了冲突,由于意气用事,忘了在备用发电机中加上柴油,结果阿波罗飞船发射后,在一次断电事故中,望远镜失去了对飞船的跟踪。恰在这时,澳大利亚首相来参观,为了澳大利亚人的骄傲,几位科学家没有透露真相,而是假装一切正常,还用对讲机假装尼尔·阿姆斯特朗说话,骗过了首相。应付完首相来访之后,问题是如何恢复对飞船的跟踪,由于他们假装仍保持着跟踪,因此不能向NASA询问飞船的坐标。主人公进行了复杂的轨道计算,试图预测飞船的位置,但忙了一夜却还是无法找到飞船信号。最后,清晨时精疲力尽的主人公走出望远镜控制室,看到天上的月亮,突然恍然大悟,把望远镜对准月亮,终于找到了飞船。在飞船登月那一天,帕克斯刮起了狂风,一般说来在这样的风中是不能使用望远镜的,但是为了这一关键时刻,帕克斯望远镜还是坚持工作,终于成功地收到了转播信号。这部电影拍得极有真实感,也很有澳洲风情特色,许多观众(也包括我)当年看了都以为这故事是真的——或者至少也差不多吧。不过,游客中心的展览里说明,这些戏剧化的情节都是虚构的,其实当时为了转播,有几十个NASA和澳大利亚科学家在帕克斯天文台工作,他们之间并没有发生什么冲突,也从没有跟丢过阿波罗飞船,甚至首相当时也没有来参观过,唯一实际发生的情节是在狂风中完成转播!不过,尽管情节是虚构的,电影拍摄的技术细节则是极为逼真的:外景是在望远镜上实景拍摄的,而望远镜控制室的内景,则严格按照当年的实际情况复现,好些控制台设备“道具”其实就是已经被更换下来的当年用过的实际设备!这些道具现在还放在游客中心的展厅内,可以看到,由于当年没有计算机自动控制系统,这些模拟电路的控制设备操作起来比我们今天的要复杂得多!

下午,小李和小廖也到帕克斯了,他们俩由于签证的延误,未能赶上第一天的观测。下午7点,我们四人一起来到控制室,丹尼已在那里了。我们的观测开始得不太顺利,系统原有的数字相关器无法正常工作,不过丹尼的新系统看上去倒是正常的。我们按照手册中的纠错指南一项项地排查,李斯特尔打电话给昨天来的那位工程师询问,按照他的指示,我们来到三楼,打开了数字相关器的机柜,有几个系统时间同步的状态指示灯显示红色,表明有故障。工程师告诉我们不要拔电源,要按重启键。李斯特尔试着按了重启键却毫无效果,指示灯一直亮着。他琢磨了一番,似乎没有别的可以动的开关了,所以最后还是走到机柜后面,拔掉了电源,重新插上后系统重启,指示灯终于变成绿色,一切正常了。

小李和小廖刚飞了十几个小时,疲惫不堪,我们让他俩和丹尼一起回宿舍休息去了。李斯特尔教会我如何用控制室内的计算机完成数据的波段定标和格式转换后也回宿舍了,今天仍然是我值夜——由于以前观测经验不多,我很愿意借这个机会多值几次班,因此李斯特尔要和我轮换,我也和他说不必了。有了昨日的经验,我今天感到很轻松,李斯特尔走后,我走到塔外想看看夜空。在单人值班模式时,允许值班员走到塔外呆5分钟,但天上布满了云,什么也看不见,只好又走回了值班室。

天文学观测受到大气层很大的影响。不用说云了,就是没有云的时候,紫外线、红外线也会被大气所吸收。随着宇宙的膨胀,星系发出的光的波长会在传播过程中随之变长,由于红光在可见光中波长较长,因此天文上称为红移。如果宇宙膨胀了一倍,那么波长也增加了一倍,红移值就是1,如果宇宙膨胀了两倍,那么波长也增加两倍,红移值就是2,如此等等。对于那些遥远的、红移在0.8以上的星系来说,它们发出的大部分光都被红移到了红外线波段,而地球大气的红外吸收很强烈,因此从地面上就很难观测了。不过,幸运地是,在我们这射电观测的频段,电波基本不受大气和云层的影响。我们这次用帕克斯射电望远镜所要“看”的,是星系内的大量氢原子发出的波长为21厘米的波,它也被红移到更长的波长了,却依然可以穿透大气被我们接收到,因此我们希望着将来能够用射电望远镜,看到来自更高红移的波。不过,我们这次的观测,红移并不高,只有0.2,在这一红移范围内,澳大利亚天文学家曾做过一个大面积的光学巡天,叫做2dF巡天,测量了许多星系的位置,我们准备把观测到的射电信号与这次光学巡天进行对照和相关,以便更好地理解射电信号,为将来更高红移的观测做准备。

夜慢慢过去了,天边先是出现鱼肚白,接着就出现了极为美丽的玫瑰色朝霞。我再次走出塔外,试着跑远一点,以便照下这朝霞中的大望远镜,但不敢离开值班室太久。太阳升起来后,象昨天一样,我停好望远镜,然后回宿舍去睡觉。

李斯特尔还有事,因此这天他就先离开帕克斯了,后面的观测就全靠我们自己的了。第三天晚上的观测开始得又不太顺:先是计算机系统不显示我们前几夜看到的控制画面,后来我们把所有程序关掉逐一重启,这个问题解决了,但在调试时我们还有一个指标显示似乎有异常。折腾了很久,还未能解决这个问题,给工程师打电话,他的手机关机了,最后我们给李斯特尔打电话,终于确认这个指标在调试模式时就是这样,正式开始观测后就会好的。确认一切正常后我走回到宿舍睡觉,今晚由小李他们值夜了。

在回去的路上,我抬起头来仰望星空。群星闪烁,但南半球的星空对我来说是陌生的,我能认出猎户座来,那是北半球也能看到并最容易辨识的星座。我也能清晰地看到银河,在这光污染很少的黑暗夜空中,它真的有点象一条缓缓流动的小河,如古诗所说的,“河汉清且浅,相去复几许”。当然,我们今天知道它其实它是一个盘子形状的星系,由几千亿颗恒星组成,我们的太阳也是其中之一。我想看看大麦哲伦星云和小麦哲伦星云,它们是离银河最近的其它星系,也是南半球天空最著名的天体,在北半球却无法看到。但是,此刻我手里没有拿着星图,不知道它们在哪个位置(其实手机上可以安装星图软件,不过我当时没想起来这一招)。

仙女座星系,在较好的天气、没有光污染和月光的条件下,在北半球可以用肉眼看到,我们的银河系与它也比较类似

次日上午,我起来后吃了早餐(厨房里有面包、吐司机,麦片,牛奶等等),小李他们观测完了还在休息,于是我骑上一辆公用的自行车,再次来到望远镜下的游客中心,买了一些纪念品,包括一个南半球星空的活动星盘。这里的科普做得很好,在展厅内朝向望远镜的玻璃落地窗前,我发现还摆着一个本子。翻开本子,里面列出了今年获得望远镜观测时间的各个项目的摘要。但不知为什么,却恰好遗漏了我们这个项目。

我们这个项目所要观测的,是宇宙的大尺度结构,也就是物质在宇宙中非常大的尺度上是怎样分布的。亿万个星系分布在浩渺的宇宙中,相互之间隔着几百万光年。我们用肉眼能看到的,不过是我们自己所处的银河系、大小麦哲伦星云,还有北半球可以看到的仙女座星系这几个最近的星系而已。有了望远镜,你可以看到更多更远的星系。从表面上看,星系的分布是杂乱无章的,就象原始森林里的树木一样。但是,在这种随机性的下面,隐藏着宇宙的秘密。如果我们能把空间中星系的分布精确地测出来,就可以揭示这些秘密。

这其中的诀窍就是数学上的傅立叶分析。这种方法把这些星系分布密度的变化分解为不同波长的正弦波,每个波的振幅和相位都不相同。这些波的强度会随着波长而改变,如果我们画出不同波长的波的振幅的平方,就得到所谓的功率谱。在波长约为4.5亿光年的地方,我们可以看到强度稍微增强了一点。这是因为在宇宙大爆炸的时候,普通物质(宇宙学上称为重子物质)处在等离子体的状态,不透明的等离子体与宇宙早期存在的大量光子耦合在一起形成一种流体,原初的随机扰动在其中激发各种不同波长的振荡,也就是我们一般说的声波,在这种等离子体中声波以大约光速的0.57倍的高速传播。在宇宙大爆炸结束的时刻,某个波长的声波,正好到达振动的一个高峰。在大爆炸结束时声速大大降低,于是就形成了这样的振荡峰。它被称为重子声学振荡峰。经过宇宙膨胀,这个波长在今天的长度是大约4.5亿光年了。此外,还有几个峰,对应的是更高次的振荡。

2dF观测到的星系分布,图中每个点代表一个星系的位置,可以看出星系的分布并不均匀

近年来,一些科学家用光学望远镜观测了星系的大尺度结构,并在功率谱中测到了这些峰,而我们则希望用射电望远镜进行观测,看到更高红移的大尺度结构。由于重子声波振荡峰是在宇宙大爆炸时期形成的,此后在宇宙的演化中,除了随着宇宙膨胀外,它的尺度几乎不发生改变。因此,如果我们能测出在不同的红移上,这些峰对应的角度是多少,那么我们就可以根据这些振荡峰的尺度和对应的角度解出那个红移到我们的距离。进一步的,如果我们能在几个不同的红移上测出这种距离,就可以还原宇宙膨胀的历史,并由此推论暗能量的性质了。

暗能量是宇宙学上最惊人的发现之一。我们熟悉的物质,产生的都是万有引力,或者用广义相对论的观念来说,它们的能量会使周围的时空发生弯曲。暗能量的奇妙作用在于,它可以使时空朝另一个方向弯曲,或者说它产生的是斥力而非引力。1998年,两个研究小组通过对超新星的观测发现,宇宙的膨胀正在加速,综合超新星和其它的观测数据,暗能量占据了宇宙总密度的百分之七十多——也就是,它主导了当前宇宙的演化。由于这一发现,这两个小组的三位负责人因此获得了2011年诺贝尔物理学奖。但是,暗能量究竟是什么,我们仍然一无所知。

迄今为止,最简单也是最好的暗能量模型,仍然是老爱因斯坦当年提出的宇宙学常数,他假定空间中每单位体积内都存在着一种固定大小的暗能量。但是,这样的暗能量为什么会存在?特别是,在时空极小的尺度上,各种复杂的量子涨落一直在发生,它们原则上有可能会大大修正这种真空能量的大小,而且改变很多——实际上预期的量子辐射修正的大小比观测到的宇宙常数值大122个数量级——也就是10的122次方倍!正因为如此,人们对宇宙学常数模型感到并不完全满意。自暗能量被发现以来,物理学家们又提出了也许有几百种不同的模型,包括我也提出过暗能量模型,但坦白地说,所有这些模型都仍然不能令人满意,因为都没有很令人信服的物理上的理由,因而有很大的随意性。不过,无论如何这些模型都预言暗能量随着宇宙的膨胀会发生一些变化,这与老爱因斯坦的理论是不同的,所以我们要是能精确地测出暗能量是否随着红移而发生演化,将是很有意思的事。

第4天晚上,我们有了前几天的经验,实验开始得比较顺利,计算机自动执行控制指令脚本,让天线扫过我们要观测的天区。小李和小廖让我回去休息,我谢绝了。这是我的最后一个观测夜,由于有事,明天我也要踏上归程了,后面两天的观测,就拜托他们二位了,今天晚上我要一起值班。不过,一切工作正常,在值班室里并没有太多需要处理的事。其实,小廖有点想让望远镜抽出一天时间做一些专门的定标观测,以更精确地校正偏振,因为偏振测量不准是我们现在处理这些观测数据中遇到的一个大问题,而小廖正是负责这一测量任务的。但经过一番讨论,我们发现,帕克斯原有的数字相关器没有执行这种定标所需的功能,丹尼的新数字相关器原则上有这样的功能,但也需要专门的编程,不可能在这一两天内实现,因此我们最终决定还是按照原计划进行观测,至于定标观测则留待以后另想办法了。

我决定到塔外去,趁这个机会再好好看看南天星空。我拿上刚买的活动星盘,和小李一起走到塔外,眺望夜空,留下小廖在塔内值班。在东方地平线上方,有一个特别亮的亮点吸引人的注意,它似乎在缓慢地运动,同时变换着颜色。我和小李一开始以为那是飞机,但过了一会儿,它的位置似乎并无变化。是我们眼睛的错觉吗?值班室里有小双筒望远镜,我们拿起来观看,蓝、白、红,蓝、白、红,我们的眼睛并没有看错。难道我们碰到了UFO?对照一下星盘,那应该是我们的老朋友,全天第一亮星天狼星。我们看到的原来是闪烁现象:星光在受到地球大气的折射后,由于大气湍流的影响,我们看到它的位置发生变化。对这一现象大家都是很熟悉的,这就是所谓星星“眨眼睛”。但我们以前还没看到变颜色的“眨眼睛”,其实,这是由于不同颜色的光折射率有所不同,才造成了这一神奇的现象,而天狼星特别亮,因此在离地平线不远时就会被看到,这时闪烁特别厉害,因此我们也就看到了不同的颜色。

用手机拍摄的天狼星在三个时刻的截屏,呈现出不同的颜色

找到了这一神奇“UFO”的答案,我们又开始寻找大、小麦哲伦星云。但是,我们遇到了困难:此时月亮高高的挂在天上,月光被大气散射后,整个夜空一片皎白,甚至连银河也隐没在这月光下了。我对照星盘上的位置努力看去,但除了几颗亮星,什么也看不到。

其实,我们用帕克斯望远镜做的射电观测,也面临着相似的难题。从理论上说,通过观测星系中氢原子产生的21cm辐射来勾绘出宇宙大尺度结构,这是探测暗能量的一个很好的手段,但难点在于,在我们的射电波段,银河非常明亮,正如在可见光波段隐没了银河的月光一般。大量的高能宇宙线电子在银河系的磁场中旋转着发出同步辐射,这些辐射比我们想要观测的21cm信号强上几十万倍。由于银河系比我们要观测的星系近,等于挡在我们要看的星系前面,因此这一辐射被称为前景辐射。尽管早在上世纪50年代人们就已探测到了银河系的21cm辐射,但六十年过去了,人们仍然只能探测一些比较近的星系的21cm辐射,却还没有探测到高红移的21cm辐射。

当然,探测这一微弱的信号也不是没有希望。21cm信号和银河系同步辐射相比,虽然微弱,但却也有一些不同的性质。银河系里有大量不同能量的高能电子,而每一个电子在磁场中又发出许多不同频率的光子,结果是银河系的前景辐射在频谱上非常光滑,这被称为连续谱辐射。21cm辐射则是一种谱线,由于不同的星系距离我们有所不同,它们的红移各异,因此经过红移后,对应的频率各有不同。如果我们能想办法滤掉那些频谱光滑的信号部分,而只保留那些在频率上发生变化的信号,也许我们就能找到所要观测的21cm信号。不过,这一原理说起来容易,真正做起来又很难了,因为信号和前景之间相差太多了,而任何仪器也不是理想的,因此实际上要准确地减去前景是非常不容易的。我们的合作组之所以有如此多的人,就是因为要分工研究数据的处理方法和步骤,开发软件程序加以处理。这几夜的观测数据,我们将拿回去用几个月甚至更长的时间加以分析,希望最终能探测到隐藏其中的21cm信号。

早上4点钟,不甘心的我再次走出值班室来到外面。月亮落山了,天空一片漆黑,大小麦哲伦星云奇迹般地出现在天空中。我高兴的跑回值班室告诉小李,他有点不大相信。我拉着他走出来,在黑暗中让眼睛适应了一会儿,果然,他也看到了。我又回去替换小廖让他也出去看,终于我们几个都看到了这著名的南天奇观,一偿夙愿。

大麦哲伦星云

天渐渐地亮了,我们结束了观测,回宿舍去休息,下午,我踏上了归程。在国内,我们正在研制一个新的阵列型的射电望远镜,它是专为暗能量探测而研制的,它将包括更多的接收机,以更快的速度进行巡天。我们期待着自己的这台望远镜,将能探测到宇宙大爆炸中产生的重子声波振荡峰。我国古代哲学家庄子著作中的一个名词,似乎最能贴切地描述了这一实验:“天籁”,因此我们就将自己的实验命名为“天籁计划”。我们使用帕克斯望远镜和分析处理其数据的经验,也可以运用在我们自己这台望远镜的研制上。

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