九天之外 人类继续好奇 和五位天文学家一起仰望星空

新的地平线又在哪里? 时空的新起点又埋藏于何处? 人类科技的频频更迭, 将我们的思绪与好奇心再一次聚集在灿烂的星空。在上海、北京以及兴隆基地巨大的天文望远镜群落旁, 带着哥白尼式的天问, 我们采访了四位顶尖的天文学家和一位天文馆馆长, 跟着他们一起仰望星空。


编辑:FUFU、NABOKOV 撰文:波塞冬 专业顾问:刘博洋 编辑助理:张知依 服装造型:张程、高雅 妆发:马强、大褀、郝星涵(东田造型) 图表设计:JOHN SNOW

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仅几百年前,我们才得知生活在一个直径一万公里的孤独星球上,而宇宙中是否存在我们的同类? 浩瀚的星空又有些什么样的物质?我们存在的这个颗星球,它终将何去何从?好奇心占据了我们的头脑,也构成了我们存在的意义。

薄暮降临,连营寨沉入一天的尾声,那架巨大的LAMOST天文望远镜,像一条刚浮出海面的抹香鲸,横向天空,似乎它正在回应宇宙深处的神秘召唤。

赶到国家天文台兴隆观测基地时,白昼已经过去,奥热也已散尽,山顶的夜晚裹着久违的黑暗气息瞬间淹没了我们的疲惫和面容。这一周,我们风尘仆仆,只为跟随一群最酷、也是研究最前沿的天文学家,一起仰望星空。

仅几百年前,我们才得知生活在一个直径一万公里的孤独星球上,而宇宙中是否存在我们的同类?浩瀚的星空又有些什么样的物质?我们存在的这个颗星球,它终将何去何从?好奇心占据了我们的头脑,也构成了我们存在的意义。

连营寨顶,夜空低沉,九个圆球形穹顶隐没在马鞍形的山峰中,那是国家天文台建于此的地面望远镜群落,由于观测基地不允许有任何的灯光,它们零星分布在夜晚漆黑的高大的丛林中,像一群隐没在黑夜中的巨兽,等待着群星闪现的刹那。

此前两天,北京天文馆馆长朱进用安迪·沃霍尔式的格言对我们说:每个人都应有15分钟的时间仰望星空。尤其是今天我们太长久地远离了星光,远离了好奇心,朱进说:“每天都把24小时花在想地球上,都去想地球上的事儿,你用得着吗?”是的,这一周在我们采访的五位中国天文学家的故事中,星空再次带给了我们想象力的启示。

在国家天文台陈颖为工程师的热情带领下,通过夜幕中的林间小道,我们走向其中一架外形犹如一座古堡圆球形望远镜。它建在悬崖边上,观测口径为2.16米,是一架曾经为第一、现在排名第三的大型光学望远镜。

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国家天文台兴隆观测基地

我们到达时,它已沉入了夏夜的宁静。而它的旁边就是那个横卧南北方向的LAMOST望远镜,它的形体更为巨大,在夜空中散发着难以描述的魔力,它是目前中国最大的光学望远镜,又叫郭守敬望远镜。它的构造充满奇迹,而不巧的是这两天,它正在例行检修。

但陈颖为工程师为我们打开了2.16米望远镜的那座古堡式的大门。当晚的观测天气不是太好,山中薄雾并未完全褪去,然而古堡建筑内的环形走廊上,依然坐满了来此实习的天文学子,或从世界各地来此观测的天文学家,厚厚的遮光帷幔遮下,他们专注又敏锐,执着而又热情。

而进入观测室那一刻,仿佛进入了一架巨大的“天梯”,通过它我们像梦幻般地走进了太阳系、银河系,以及更遥远的星系。观测室的内部空间巨大,奇妙的光学构造和复杂的驱动装置,恍惚间让人置身飞船的复杂机舱,当圆形穹顶的天窗开启后,泻下一片天幕,这个重达90吨的家伙缓慢地旋转着,然后到达指定角度与方位,最后片刻间将我们带到了另外一个世界。

在燕山南麓深处的一个夏夜,我们屏住呼吸,那神奇的光点从遥远的宇宙内部迅速结集过来,几千光年甚至几亿光年的奔袭,它们遇见了一个陌生而好奇的心灵,并一次次倒映在我们柔软的视网膜的底座上:武仙座的M13、牧夫座、仙女大星云……

在这一周内,我们采访了国家天文台、上海天文台以及北京天文馆中五位最前沿的天文学家,走进了他们僧侣般执着的研究领域以及他们奇妙的内心世界,那些深奥的天体物理公式或不同波段的宇宙射线信息,为我们描绘出遥远而复杂的星空世界和未来世界。

“在这个世界上,有两样东西深深地震撼着人类的心灵:一是我们头顶灿烂的星空,一是我们内心深处崇高的道德律。”两百年前,一个生活在哥尼斯堡的叫康德的老人如是说道,他用那低沉的声音再一次提到了我们头顶的星空。

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我国自主设计和建造的2.16米天文光学望远镜

2.16望远镜中所展示的星空那陌生而真实的面目持久地震撼着我们的心灵。陈颖为工程师解释说,“这架望远镜立项于1958年,但直到1989年才建成。它曾是远东最大的光学望远镜,被誉为中国天文学发展史上一个里程碑。几十年来,它已发现了上千颗星星或星系。”他告诉我们,“而今不仅全球各地专业的天文学家可以前来观测,就是普通爱好者,只要你提交的观测活动通过申请,你也可以前来此地观测。”

心事浩渺连广宇,宇宙如此广漠和浩渺,也就是两天前在中科院国家天文台,我仿佛走进了人类最深奥的智力营地,遥远而复杂的星系或天体在这里被抽象为一片片浓缩饼干,挂在一间间研究室门牌上,我们采访了“暗物质与暗能量研究组团”的首席科学家陈学雷,他正在推动“天籁计划”,通过探测宇宙中的21厘米射线,尝试摸清宇宙的大尺度结构分布,以此来测算宇宙中的暗物质和暗能量。

同样,我们也在此基地采访了中科院“爱因斯坦探针”项目负责人袁为民博士,他同时也是一位著名的黑洞研究专家,而“爱因斯坦探针”正是一颗即将发射到太空中的探测器,他将负责通过这个太空望远镜来探测太空中的X射线,并以此来研究宇宙中的超大质量黑洞及黑洞族群。

而在北京大学科维理天文研究中心,我们探访了美籍华裔天文学家Eric Peng,他向我们展示了自己在智利高原上拍摄最美的星空,并描述了他所研究的宇宙中球状星团的成因及特征。同时,我们也采访了以研究星系动力学著称的上海天文台天文学家沈俊太,这位年轻的天文学家以最直观而又非常严谨的方式给我们演示他所制作的银河系动力模型。

人存理论说,“我们看到的宇宙是这种样子,至少在部分上是因为我们的存在。”浩瀚的星空就在我们头顶,那么遥远,那么广阔,它们的神秘持久地吸引着我们的内心。

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沈俊太

星系动力学团组首席,中科院上海天文台研究员,博士生导师,中国科学院“百人计划”入选者,国家自然科学基金委优秀青年基金获得者。1998年在中国科技大学地球与空间科学系获理学学士学位。1999年在美国西北大学物理与天文系获理学硕士学位。2005年在美国罗格斯大学获得天体物理博士学位,其博士论文荣获2006年度罗格斯大学Richard J. Plano博士论文奖(物理与天文系最佳博士论文)。2005年起作为独立博士后(Harlan J.Smith Postdoctoral Fellow)在德克萨斯大学奥斯汀分校进行研究工作,2009年回国工作。

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沈俊太 与银河系的交往

采访、撰文:波塞冬 | 摄影:王晓东

去天文馆的路上,热浪滚滚,坐在车内的一位北京女孩突然转过来朝向沈俊太,“啊,原来你是个天文学家?那时光机器归你管么?”沈俊太一脸迷惑,他用手抓了一下稍微卷曲的头发,笑了一下回答说,“是啊,要不我给你开个条子你去体验一次?”

出生于1976年,作为中国科学院星系动力学团组的首席科学家,也是中国当代最年轻的天文学家之一,沈俊太常常会遇到诸多有趣的误解。毕竟他的研究领域太过深奥,“漩涡星系、椭圆星系、超大质量黑洞、暗物质等的结构及其演化。”他描述道。但你知道,每个人总有各种莫名的好奇,无数情窦初开的北京女孩子尤其如此,她们总是希望天文学家给她们每人一架时光机器放在枕边。

采访沈俊太的那个下午,异常炎热,北京天文馆仿佛让我们进入了虚拟而又清凉的宇宙之旅。坐在馆内的长椅上,我总是希望我的思维要跟上我的幻觉。宇宙太庞大了,身处其中,我们无不深感茫然。几乎每隔几分钟,我总要将我的思绪从深不见底的遥远星系中拉回到地球,拉回到这条可以触摸的浅白色的长椅上。而我要采访的天文学家就坐在身边,作为同龄人,他一头卷发,目光睿智,一米八五的魁梧身材,仿佛来自另外一个星球,他用一种平缓的语气向我还原宇宙的真相:我们生活在地球上,地球运行在太阳系中,太阳系又运行在银河系中,而星系是宇宙基本的构成单位,宇宙由上亿万个银河系一样的星系组成,但关于星系中各种结构的动力学成因,却总是考验一代又一代人的智力。

33岁那年,沈俊太向国际知名的美国德克萨斯大学奥斯汀分校辞别,并且与在普林斯顿大学获得天文学博士的太太一起回国工作。天文爱好者们称,在中国当代的天文学家中,有好几对耀眼的“双子星座”,而他同太太就是其中一对,他们夫妇均为中国科学院“百人计划”的入选者。“在中国,你可以抱怨任何事情,但不能抱怨没有机会。”沈俊太说。回国后,在中科院上海天文台,他从事着星系动力学的前沿研究,而他太太则从事着星系观测方面的前沿研究,“研究内容有点互补性质!”他很简要地回应了我们的各种好奇心。

他先打开电脑,为我们演示一个银河系核球演化的动态模型。看上去,那简直就像一枚椭圆形的煎蛋,仿佛刚刚打在平底锅中,并一圈一圈慢速自旋转着。看着那枚煎蛋一圈一圈地旋转,变得更加椭圆,仿佛自我不断在其中沦陷,越来越远,越陷越深。“这就是我们身居其中的银河系。”沈俊太说。只不过,我们常常是身在庐山而不识庐山。

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沈俊太有多篇第一作者论文被国际天文学著名教科书《星系动力学》等引述。

这是沈俊太最著名的工作之一。好几年前,他还在德克萨斯大学做博士后时,在一次访问学者学术报告上,他得到了UCLA的一位教授最新银河系巡天的海量观测数据,并由此诞生了一个想法,利用这些数据,通过高精度多体模拟构建了银河系运行的动力学模型,最后他惊奇地发现,银河系的核球,其实就是侧面看到的银河系的棒,同时,在这个模型中,他还发现银河系可能并不包含一个显著的由星系并合而形成的经典核球,而之前,国际天文学界通常以此为圭臬,认为银河系的核球是两个星系相撞并合后演化而成的经典核球。但他提出我们银河系中心的核球很可能是由星系盘自身的不稳定性产生的“伪核球”。

这个理论模型不仅让他在国际天文界声誉鹊起,而且也一举奠定了他作为中国最新一代天文学家的学术基石。让他感到惊奇的是,巨大的反响不仅来自世界各地的天文学界,甚至也波及到宗教神学领域。他的这篇论文在国际权威的《天体物理杂志》(ApJL)上发表后,美国一家著名的基督教宗教网站立即引为首页新闻,并由此称,“我们赖以生存的银河系是独特的。与其它星系不同,它是全能的充满大爱的造物主(上帝)精心选择。”千百年来,似乎宗教和科学总是相伴而行。沈俊太的模型理论当然不是证明了上帝的存在,但这个反响让他感到非常好玩,有时会故意把这个新闻放到他的学术报告里,让听众在严肃的报告中有了一个可以放松的笑点。

他喜欢那种美式的幽默或自嘲。沈俊太说,在美国期间,他几乎看完了所有的《辛普森一家》(The Simpsons)系列,他热爱那个在核电厂工作的Homer,他常常为自己可爱的愚蠢而埋单,但却具有惊人的自嘲精神。对这个系列里面的卡通人物着迷,这似乎给长期生活在智力巅峰的沈俊太带来另外一个平凡而有趣的好奇体验。

2009年回国工作后,他的确感受到了很多差异。开始时,他还在学习重新适应这种不同,甚至他比在美国时还要加倍努力。沈俊太说,“当天文学家的好处是没有固定的上班时间,但当天文学家的坏处是,你也没有固定的下班时间。”“因为竞争激烈,在天文学领域,国内最近几年发展迅猛。”沈俊太解释道,“当然,我们走得很快,那是因为我们在一艘大船上,而且这艘船走得比其它船快!”他说的大船,无疑指的是正在飞速发展的中国。有一次,他在飞机上遇到一位在上海工作的美国人,沈俊太问他在中国感受如何?那个老外回答,“在中国,我总是有挫败感(frustrated),但我很开心(happy);我在美国,没有挫败感,但我却不开心。在这里每一件事都让人抓狂,却让人快乐!”这也许是一种真实的表达,沈俊太非常理解隐藏在这种表述背后的那种事实与情感。

科研工作之余,沈俊太最大的爱好就是踢足球,并是科学家圈子内小有名气的一名“后腰”。如果他的思维不在浩淼的宇宙中驰骋的话,就一定翱翔在绿茵场上,他常常跑动在最关键的位置,向前助攻,或者向后防守。队友们也常常听见人高马大的“首席”在球场上大喊大叫,怎么补位,怎样传球,就像伊瓜因的外号叫“小烟枪”一样,“首席”是他的外号,队友们都习惯以这种方式来体现他在另一个领域的天赋。

在中国的传统文化中,据说每一个人都对应着一颗天上的星辰,采访结束时,我问年轻的天文学家,你应该属于哪颗星?沉默良久,沈俊太未回答。也许平时的工作中,星空更多的只是他演算或研究的对象与范畴,他甚至都没来得及想象这个古老的问题。

甚至坐在球场边休息的时候,他偶尔抬头看一下天空,想的也是与之打交道多年的银河系的样子,“对,就是那枚在平底锅中旋转的煎蛋!”

银河系的核球是什么样?

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这是一条不断被猜测的河,在人类没有飞出银河之前,形状永远是个谜。

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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,博士生导师。中科院“百人计划”入选者,获得国家杰出青年科学基金。1999年哥伦比亚大学物理系博士毕业,先后在俄亥俄州立大学物理系、加州大学圣芭芭拉分校理论物理研究所等处工作,2004年底回国。

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陈学雷 暗物质犹如一个反义词

撰文:傅哲明、波塞冬 | 摄影:王晓东

走进国家天文台,仿佛走进了一个浓缩的宇宙中心,那些遥远的巨大天体好像突然变成了一片片浓缩饼干,挂在长廊两边的一道道门口。我们穿行其间,犹如穿行在另一个超小尺寸的时空中。

而其中一块显眼的宇宙浓缩饼干——“宇宙暗物质与暗能量研究团组”,将我们带到了它的首席科学家陈学雷的研究室。也许是古怪的好奇心一开始就滋生了太多的想象,而走进首席科学家的办公室时,呈现给我们的却是波洛克绘画一般的抽象世界。

没有期待中的外星人模型,也没有斩获的神奇的“暗物质”实体,甚至都没有它的传说中的图像,只有一块黑板,上面是各种击溃脑细胞的天体物理公式,此外还有一面墙,像一间中药铺子,上面有六十个左右的小格子,格子间里放着一沓打印好的英文论文。每一个格子,有着不同的命名,“Radiation”(辐射)、“Halo”(光晕)、Black hole(黑洞),分门别类,粗略地看上去,宇宙仿佛被医用手术刀进行了切片展览。

而宇宙暗物质与暗能量研究团组首席科学家陈学雷的一天正是这样开始的,早上8:30准时来到国家天文台的这间科研室,在电脑上草草过一遍今天arXiv.org网站,看看全球的同行们又有什么新的进展。而arXiv.org是以收录全世界天体物理、高能物理等方面的论文预印本著称,陈学雷会从标题到概述到正文,快速扫描一遍,然后他挑出感兴趣的文章打印下来细细阅读,再分门别类地放入小格子内备用,这是他每天早上必做的功课。但这只是这位首席科学家一天中科研的序曲,而一天中真正占据他大脑,挑战他神经的是宇宙中那些难以捉摸的物质或能量,现代天文学家称之为“暗物质与暗能量”。这种命名是相对于人类在太空中轻易可见的恒星、星系、星云团等,但它们却像魔法一样,对宇宙施加着难以估量的超级影响力。

“现在我们知道,宇宙当中由普通原子组成的物质大概只占4.5%左右,而其他绝大部分物质或能量不发光,看不到它,但我们却可以通过它的引力感受到它。”陈学雷解释说,“这其中暗物质就是一类,它最早于1930年由一些科学家提出,在上世纪70年代开始得到广泛承认。而还有一类叫暗能量,它更晚一些,1998年科学家才发现。”从哥伦比亚大学物理系博士毕业,又在俄亥俄州立大学物理系、加州大学圣芭芭拉分校理论物理研究所等进行了数年的博士后研究工作后,2004年底,陈学雷入选中科院“百人计划”,回国受聘为中科院国家天文台研究员。两年后,他担任国家天文台宇宙暗物质与暗能量研究组首席科学家。

在当今的宇宙学研究中,宇宙微波背景辐射是当前主要的信息来源。原本一直从事理论研究的陈学雷洞察到,今天的宇宙学家,面临着一个类似于“宇宙微波背景辐射探测”的机遇和挑战。那就是尝试探测到宇宙中,中性氢原子产生的波长为21厘米的辐射,简称“21厘米辐射探测”。因为浩瀚宇宙中,暗物质和暗能量本身并不发光,只能通过其他物质“间接看到”,而宇宙中分布最广的氢元素自然是这种探测介质的首选。然而,科学家们至今并没有观测到更高红移的氢原子的辐射。由此,陈学雷判断,“21厘米辐射探测”将是宇宙学方法论上的重镇,尤其是今天,快速发展的射电探测技术更为它的探测创造了机遇。

陈学雷将自己带领的这个实验项目命名为“天籁计划”,将着手在新疆建设一个射电望远镜列阵,以此来探测中红移的21厘米辐射,尝试摸清宇宙的大尺度结构分布,从而精密测量暗能量。

“庄子曾经提到过,我们常听到自己的声音,大地的声音,此外,我们还应该听听天籁,即宇宙中奇妙的声音。”陈学雷解释说,这个试验名为“天籁计划”,正是由来于庄子。“而恰好这个月,新疆的21厘米射电望远镜阵列开始动工,这个阵列先建一个柱形望远镜阵列,该阵列包含三台望远镜,每一台宽15米,长40米,而将来这个阵列将扩展成8台,120米长。”“这个试验能不能成功还有疑问,虽然21厘米辐射被探测到好几十年了,但中红移到高红移到现在一直没有人测到。”他说,“它充满了风险,但我们还是应做一些尝试。”

而在“天籁计划”之前,陈学雷早已在宇宙学领域建立了一系列强悍的学术声望。

20年代初,爱因斯坦提出著名的广义相对论,对牛顿经典力学进行了进一步修正,但今天科学家一直在疑问爱因斯坦的广义相对论,是不是仍然是对宇宙引力场最好的描述呢?是否存在更好,更普适的理论?近年来,科学界引发了数十种引力理论的挑战,而其中标量-张量理论最为有力。

还在哥伦比亚大学求学时期的陈学雷就选择了对标量-张量理论的检验作为自己的博士毕业论文题目。根据上世纪90年代对宇宙微波背景辐射精确探测成为可能,陈学雷和他的合作者利用宇宙背景辐射,通过复杂的计算,提出了一种比学术界现有方法更精确的检验方法,从而捍卫了爱因斯坦广义相对论的王座,他也因此获得了国际宇宙学界的广泛认同。

而在博士后时期,陈学雷讨论了假如暗物质在黑暗时期内发生衰变,对宇宙可能存在的影响。当时学界主流观点认为宇宙大爆炸后有一段黑暗时期,在这段黑暗时期内恒星等天体尚未形成。恒星形成后发出的光会把宇宙照亮,也造成宇宙早期气体的电离。当时有观点认为,气体电离的产生可能与其他物质相关,比如暗物质的衰变。在美国做博士后那一阵子,陈学雷对这一假说进行了深入而细致的研究。最后观测的结果是将黑暗时期的节点提前,暗物质的衰变对气体的再电离也许并无甚影响。

在他的同行或学生那里,作为一名宇宙学家,陈学雷确实是C·斯诺所说的那样具有“两种文化”的科学家。在早年学生时代,陈学雷就兴趣广泛,他一方面无限热衷于自己的物理科学,想“弄明白一些事情”,而另一方面他又深深地沉浸在休谟、马赫、罗素、维特根斯坦等哲学家的人文世界里,而至今书架上都还陈列着他们的书籍。同样,兴趣广泛,热情蓬勃,在北京大学攻读硕士期间,他不仅是北大天文协会成员,而且也是山鹰社登山协会成员,并在紧张的学习期间,曾跟随山鹰社参与了多次登山活动。

“我觉得自己是一个好奇心特别强的人。我喜欢读书、旅行,做研究是非常适合我的职业。而宇宙学是我能想到的最好的研究方向。它包含一切,因此我们提出的问题也要追本逐源,直达其根。研究这一方向,使我既有机会去学习深奥的物理理论,去思考物质运动的本质规律,也有机会去研究了解我们实际观测到的种种现象,因此抽象的物理理论对我来说并非数学游戏。”

而今,除了在遥远的宇宙空间中寻找21厘米射线,空闲时,陈学雷更愿意从另一个角度去了解这个世界,他热爱中国传统文化,《大学》、《中庸》、《庄子》,他都爱不释手,一遍遍熟读,这不仅是身份认同的一种文化滋养,更多的是一位科学家的好奇心。

作为一名宇宙学家,陈学雷深深地知道,宇宙太浩瀚了,人类的存在多么微渺。他曾不止一次阅读《爱因斯坦文集》,至今尤为敬佩他说的那句话:“宇宙中最不可理解的事,是宇宙是可以理解的!”

我们这样认识宇宙

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当一个人沉浸在星空下时,本能的就会体验到一种静谧的自然之美,但作为宇宙学研究者知道这些星光来自遥远的恒星,而恒星又处在星系当中,看不见的暗物质弥漫在星系周边,宇宙中包含着亿万个星系,而所有这些都由一些基本的物理规律所支配,了解这些规律,反而使整个宇宙显得更为神秘。

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袁为民

中科院国家天文台高能天体物理团组首席研究员,空间科学部副主任。他的研究主要是利用X-射线天文卫星及多波段设备,从事黑洞和活动星系核的观测。曾参与国际空间站X -射线全天监视器MAXI的研制。国家空间科学先导专项背景型号卫星“爱因斯坦探针”项目负责人。他于1998年获德国马普地外物理所(MPE)/慕尼黑理工大学物理学博士学位。曾在日本宇航局(JAXA)、英国剑桥大学从事博士后研究,及在中科院云南天文台任团组首席研究员。

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袁为民 当我们谈黑洞时,我们在谈什么?

撰文:波塞冬 | 摄影:王晓东

夜晚的连营山,天幕沉沉,群星躲藏在夏夜的背后,山顶隐约可见几处球形隆顶,那是国家天文台建于此的望远镜群落,而此刻,它们也同群山一起陷入了沉寂,正默默地等待下一次天幕开启星空之门。

“二十多年前,还是学生时,我就用过那架望远镜。”袁为民说。他是中科院国家天文台的研究员,致力于空间科学和黑洞研究。因为一次天体学术会议,我们的采访也追随着这位天体物理学家来到国家天文台兴隆观测基地。这一晚,我们像一群夜行人,缓慢走在山顶小路上,不见彼此,却又共同享受着黑夜带给我们的久违的新鲜气息。

袁为民博士说的那架望远镜,矗立于兴隆县连营山绝壁的顶端,球状隆顶,观测口径2.16米,它于上世纪60年代立项,但直到1989年才建成,是国家天文台兴隆观测基地最年长的光学望远镜。

“天文望远镜就像人类修建的‘天梯’,这架2.16米望远镜,通过它,几十年来我们的天文学家们捕获了数以万计的天体图像和光谱,也做出过一些重要的发现。在我们的宇宙里,有恒星,星系,各种弥散的物质及暗物质,除此之外,还有非常神奇的叫黑洞的一种非常致密的天体。黑洞是爱因斯坦广义相对论最著名的预言之一,但是直到上世纪70年代才被观测所证实。而我自己现在的研究,就是在寻找宇宙中这样的黑洞天体。”在连营山顶广袤的黑暗氛围中,袁老师解释道。

“除了使用像2.16米或LAMOST这样的地面光学望远镜获得光谱来配合研究外,目前这个领域更多是使用太空探测器(也叫太空望远镜),捕获由它产生的X射线,来研究黑洞。”他介绍道。由于地球大气层会吸收来自宇宙的X射线,我们就必须将“天梯”架设到太空中去。

“我们银河系的中心就有一个质量非常非常大的黑洞,大约是四百万个太阳质量。实际上,我们相信,每个星系中心都存在着质量非常大的黑洞,百万太阳质量,也可以到上亿,甚至十亿太阳质量。而怎样发现这些黑洞呢?”他以反问的方式介绍道。

“因为黑洞的引力非常强,可以把向它下落的物质加热到足以发射X射线的极高温。利用太空探测器,我们可以通过探测这些X射线光来发现并研究它们。目前我们银河系里已经确认有二十多个大小不等的黑洞,他们的质量从几个到十几个太阳质量,都是处于与一个正常恒星相互绕转的双星系统中。而离我们最近的黑洞,是两年前由美国宇航局的一个太空探测器最新发现的,离我们大约有1600光年的距离。”

袁为民毕业于北师大天文系,在德国马普学会地外物理所/慕尼黑理工大学博士毕业,后曾在日本宇航局筑波宇宙中心、英国剑桥大学天文研究所、中科院云南天文台从事过研究工作。在夏夜的兴隆县北部山顶,除了回溯学术历程,他还透露了自己目前正在中国科学院所负责的“爱因斯坦探针”卫星计划。

袁为民博士介绍说,“目前在黑洞的研究中,更多地依靠美国宇航局、欧洲欧空局,以及日本宇航局发射的太空探测器,我国至今还没有这样的太空探测器。而到2015年,我国将为此发射一颗命名为硬x射线调制望远镜(HXMT)的太空探测器。”

“黑洞本身是不发光的。只有在靠引力大量吸积周围物质的情况下,才会发出强的电磁辐射,可以被我们探测到;这样的黑洞称为活动的黑洞。大部分的探测器,包括HXMT,都是针对探测活动的黑洞。根据目前的观测和理论,可以预期黑洞在宇宙中应该是普遍存在的。但黑洞只有极少的部分是活动的,它们只是冰山的一角。而绝大部分都是处于‘冬眠’状态的沉寂的黑洞,常规的手段很难探测到它们。很奇特的是,这些黑洞会在‘冬眠’中有非常短暂的‘苏醒’。人们可以通过捕获这种短暂的辐射信号来探测‘冬眠’的黑洞。因此我们提出了一个太空探测器计划,目的在于探测宇宙中处于‘冬眠’状态的黑洞。这就是我们正在研发的‘爱因斯坦探针’,希望能得到中科院的立项并在2020年左右发射。”这是一个由中国天文学家主导,并有国际合作参与的一个太空探测项目。袁为民博士尽量用非常通俗的语言向我们描述它的实质功用。

作为一位黑洞研究的天文学家,思维的深奥不可避免,但袁为民却又是一位极善于表达的科学家,言辞典雅,形象生动。同时他也风度翩翩,兴趣广泛,在海外学习和工作期间,他对不同地域的多样性文化和艺术也十分着迷,涉猎众多。他还说到在慕尼黑的时候,为了看歌剧《阿依达》,由于票价很贵,当时还是学生的他就买了张站票,一直站了几个小时欣赏完。

研究黑洞,而他也喜欢科幻小说。他一直喜欢卡尔·萨根的《接触》。这位著名的科普作家也是一位天文学家、行星探测专家。小说讲述了一位天文学家,用射电望远镜来寻找外星人的故事。袁为民博士说,这个小说原型是一个真实的女天文学家,名叫Jill Tarter,美国地外文明搜寻研究所的所长,曾做过美国白宫科学顾问,一辈子都在推进地外文明的探索。Tarter来中国访问时,他还跟她交流过。这部小说对他影响深远,故事性和艺术性都让他着迷。小说后来被拍成了电影,由著名影星朱迪-福斯特主演。

可以说,在他的生活中,遥远的几十万光年的一颗正在爆发的中子星是他的朋友,而剑河附近他居住的一户普通人家的主人也是他的朋友。袁为民说他接触过不少知名的天文学家,“他们最大的特点就是超凡脱尘,自己最感兴趣的事,是宇宙中的离地球生活非常遥远的事物,他们对此都非常执着。”显然,他所描述的这个群体中,某种程度上,也浮现出他个人的自画像。

夜幕深沉,连营山仿佛沉沉睡去。袁为民博士谈兴正浓,但他也清晰地表示,由于历史的特殊性,他们这一代科学家又常常是“被拔苗助长的一代”,现在正承担着本应两代人承担的工作任务。“过了四十岁,我几乎没有更多的自己的时间。常常要工作到凌晨。”他说。而幸运的是,他的太太也是一位天体物理家。在中国的天文研究工作者中,他们夫妇是天文学界少有的几对的“双子星座”之一。

“从远古时代,人类仰望头顶灿烂的星空时,就开始思考,它们是什么,它们从哪里来,将会到那里去?”袁为民教授最后说,“而这就是我们永恒的好奇。”

贪吃的黑洞

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你可曾想象得到在看似静谧的星光后面,隐藏着无数宇宙中最为不可思议、奇特的天体——黑洞。

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Eric Peng彭逸西

北京大学天文系副教授,博士生导师。致力于研究星系形成与演化,球状星团。美国Johns Hopkins大学博士,曾在加拿大和美国做博士后,获加拿大Plaskett Fellowship。

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Eric Peng 带给球状星团的问候

撰文:傅哲明 | 摄影:王晓东

要不是迷恋天文学,Eric Peng应该是HBO制作的某个类型剧中的主演,风度翩翩、思维敏捷、想象力深奥、谈吐不凡。起码“豆瓣”上应聚集一大群他的FANS。

但如果你走进郁郁葱葱的朗润园,在临湖的一栋建筑古典的红楼里,你见到的真实的Eric Peng,则是北京大学科维理天文与天体物理研究所的核心成员,是来自更为深奥神秘的天文学领域,他的戏码是探索宇宙中最低调的球状星团。

41岁,美籍华人,北京大学天文系副教授,这是他确切的身份和职业。作为中国天文学领域为数不多的外籍人才,Eric Peng一口美语,元音响亮,于深奥的天文物理和复杂的星系演化,他总是更善于用比喻来表述那些艰涩深奥的天体现象。

Eric的办公室有几幅壮美的星空图,其中一幅是震撼人心的NGC 5128景象,那是他几年前在智利的天文台里亲手拍摄下来的,一个位于半人马座内的巨大星系,庞大的星系盘位于画面中心,盘面上聚集着不少年轻的蓝色恒星,四周围绕着尘埃带。“我们看到的这个星系的形状,像一个东西掉进水中,水面泛起一圈一圈的涟漪。”Eric一边拿着它一边向我们解释说,而有证据显示这个特别的NGC 5128恰好是两个星系碰撞的产物,而碰撞又极有可能造成了一批恒星的诞生,这是我们能见到的最近距离的星系并合效果。因此,NGC5128是研究恒星形成的绝佳范例。他当年的博士研究就是基于对球状星团的物理性质展开。比如星系中暗物质的含量,星系并合的动态历史,星系晕的结构等等。

球状星团是宇宙中一类常见而又特殊的天体,人类对它的研究始于望远镜的诞生,开始以为它只是一颗亮星,而后随着观测技术的进步,发现它是由数万至数百万颗年老恒星组成的致密恒星系统,但于人类而言,它们的形成成因和内部结构,至今仍是未解之谜。

但由于年龄老,金属丰度低,质量大,现在天文界普遍认为它们是在星系形成之初,在剧烈恒星形成过程中形成的。所以,观测球状星团,研究它们的形成与演化历史,可以示踪其宿主星系的形成演化史。某种程度上,除了它自身的研究价值外,对它的研究也有可能揭开宇宙中星系的形成之谜。

几年前,Eric带领的研究小组利用哈勃空间望远镜在室女座星系团里证认出了超过11000个球状星团。他的研究小组使用哈勃望远镜的先进巡天相机,在一百个大小不同、形状和亮度各异的星系(其中有些是非常暗弱的矮星系)中寻找球状星团并进行仔细研究,结果表明,这些密集的恒星集团更倾向于在比较致密的环境里形成(即恒星形成率较高的星系中),而并不是对所有星系都一样。他们的研究还发现,大质量星系中的星团至少有一部分是从它周围较小的矮星系中俘获而来。此项研究结果发表在世界权威的《天体物理学杂志》(The Astrophysical Journal)上,并被业界广泛引用,同时哈勃望远镜的官网也对此进行首页报道。

Eric的成长经历,可谓兴趣成专业。他出生于纽约,六七岁时便开始接触天文相关的杂志书籍,由于成长于城市中,Eric当时对天文学的感知是理论上的——大城市光污染过于严重,难以见到璀璨的星河。但总是好奇心至上,为了看看星空,在高中时他曾花了半年时间,亲手制作过15厘米口径的望远镜。谈起人生中的第一架望远镜,Eric开玩笑说,“那是我用过的最糟糕的望远镜,但自制望远镜的过程,充满了乐趣,总是记忆犹新。”他一直相信,天文观测对于天文学研究的重要性,来中国后,他有感于国内天文望远镜的稀少,更重要的是,他有感于当时西方的许多重要的天文望远镜,由于各种各样的原因,总是很难对中国天文学家开放观测,为此,在2011起,他牵头发起了一个叫“有偿使用国外望远镜计划”(TelescopeAccess Program),每年为几十位天文学者提供全世界重要天文台的观测计划。由于国际惯例,天文望远镜观测需要使用者提供学术申请计划,并要获得望远镜使用评审委员会的评审,只有通过才能提供观测使用档期。我们在北大科维理天文研究所的主页上,看到了这个TAP计划惠及的天文学者的名单,四年下来共近百人。这个超越了个人学术研究的计划,每年都要耗去Eric很多的精力和时间,虽然该计划的实施过程中,在时间方面甚至还影响到自己的研究,但他乐此不疲。

实际上,Eric从小就有着一颗热爱运动的心,有一个充满冒险的心。皮划艇、棒球、垒球、登山……学生时代,他就对各类运动有着浓厚的兴趣。在选择大学专业前夕,他与大多数青少年一样也充满迷茫,但他还是决定选择自己所爱的天文学。在普林斯顿大学完成本科学位后,依旧不能明确自己人生方向的Eric同时申请了医学院、天文专业的硕士生,和来华教中学生英语的项目。幸运的是,霍普金斯大学愿意为其保留一年Offer,让Eric到中国体验不同的文化。于是Eric最后决定选择继续天文学专业的学习。

正是那一时期,Eric第一次来到中国,在广州担任了培正中学为期一年的英语老师。返回美国后,Eric在霍普金斯大学攻读天文学研究生和博士学位。其后在加拿大国家天文台,美国太空望远镜科学研究所从事博士后工作。2008年,那正是中国最热闹的一年,由于妻子轮值驻北京记者,他也因此再度返回中国。“那时,我已经有中国天文学家朋友了。”他说,“我们已经很幸运了。中国的天文学者不多,但不少大城市有天文馆,有不少漂亮的天文杂志……”Eric坦言自己依然喜欢看星空,但遗憾的是大城市已经看不到星空了,在刚到中国的2008年,正好遇到日全食,Eric专程赶到了甘肃,在嘉峪关体验了白昼天狗的神奇。“那真是美好的体验!”他的英语发出响亮的元音。

球状星团,宇宙的长老

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茫茫宇宙中,球状星团是历经沧桑的长着。平庸的外表之下,却暗藏无限底蕴。它们生如夏花般绚烂,但还没让我们来得及窥探便藏起华丽外表,保持着百亿年来的低调。

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朱进

北京天文馆馆长。1985年7月毕业于北京师范大学天文系,获学士学位。1991年7月毕业于南京大学天文系,获博士学位。1991年7月至2002年9月在中国科学院北京天文台(后更名为中国科学院国家天文台)工作,任助理研究员、副研究员、研究员,其中1992年5月至1994年4月为该单位博士后流动站博士后。身兼北京古观象台台长、《天文爱好者》杂志主编等职位。

黑色西装外套和黑色西裤 均为XUAN

朱进 24小时干嘛都想地球上的事

采访、撰文:波塞冬 | 摄影:JOMEN

若你是个成功人士,去天文馆内待几分钟,你就会突然很沮丧;若你对生活本来就很沮丧,去天文馆待几分钟,你就会非常释然。

我是怀着什么样的心情进入北京天文馆的呢?西直门外面尘土飞扬,一位中年男子在烈日炙烤下,佝着背蹬车,我汗流浃背地经过他,然后拐弯从一道大门进入一个装满银河与星星的大厅,迎面立刻吹来一丝清凉的风。

当我见到北京天文馆馆长朱进时,他人高马大,行动迅捷,一头卷发飞扬。他说,“哎,干嘛你每天都把24小时花费在地球上,都去想地球上的事儿,你用得着吗?”

北京的确很大,但地球真的很小,在天文馆银河演示厅,我费了老半天才找到了太阳系,地球简直微小得如同一粒米,而我们就呆在这里,吃喝拉撒,时而气急败坏,时而兵刃相见。

就像寺院里高僧常常棒喝不求上进的众生一样,朱进馆长也是开门见山一场责备:“其实每个人完全可以花费15分钟,走出去,看看银河,如看不到,你来天文馆看看,或者你哪儿也不想走,就在电脑上看看星空,再或者干脆什么都不看,只是坐在那里想想我们头顶的星空,里面有银河,银河里的太阳系,我们就居住在里面的地球上。”他说,“这也行!”

北京天文馆是中国最早的天文馆,也是目前世界上最好的天文馆之一。它的西馆由新馆和老馆两部分组成,远看像一架太空飞船,正在华北平原上缓慢着陆,新馆不规则的长方形玻璃方楼,如同展开的飞行翼,而前面圆球形的老馆,如同飞船的头部。东馆则是1442年落成的北京古观象台。

就在我们造访的前两天,这里刚刚举行过国际天文馆学会大会,世界各地天文学家聚集在这里竞相展示了他们所知的关于宇宙的各种奥秘。但这样的活动不是每天都有的,而每天在这里上演的是,几百至几千个孩子拽着父母前来馆内观看各种星空演化模型,或诸如《奇妙的星空》之类的球幕科普节目,或去分辨陈列的各种外星陨石。实际上,当然不止孩子,还有诸多痴迷于仰望星空的青年人或老年人。

朱进馆长介绍说,每年北京天文馆要接待七十万人次。而仅仅一次月全食或某场流星雨,消息一释放,傍晚的馆内广场上立即涌来上百甚至数千爱好者和公众。

朱进于2002年就任北京天文馆馆长。之前他在国家天文台做了十一年的天文观测与研究,是那时非常有名的一位小行星专家。南京大学天文学博士毕业后,他就进入了天文观测领域,并做得风生水起,由他所主持的“北京施密特CCD小行星项目组”,几年间,共发现了获国家暂定编号的小行星2700多颗,其中已有1259颗获得永久编号和命名权。另外他的团队还发现了一颗彗星,最后以他及一位证实该天体彗星身份的加拿大天文学家的姓氏命名,叫“朱—巴拉姆”彗星。

如果回溯人生,其实这还并非他的全部,甚至都不是他自己所描述的人生重点。

1998年和2001年,正好两次狮子座流星雨大爆发,以及小行星可能撞地球等新闻,吸聚了难以估测的公众的天文热情,而几乎每次,朱进都被推上媒体前沿。而渐渐地,越来越多的人发现,与其他天文学家不同,头发飞扬的小行星专家朱进,更善于与公众交流,哪怕公众各种常识错乱的奇思怪想,朱进也都充满激情予以解答。而朱进的解释是,“公众关心的问题,表面无厘头,其实很多是根儿上的问题。像皇帝新装里那个小孩问的问题。”

在北京天文馆有一间教室叫505,在他到天文馆工作的前几年,几乎每个周末,无论怎样繁忙,只要没有出差离京,朱进都要抽出时间与来此地的孩子们见面,回答他们的问题,或与他们交谈,乐此不疲。朱进认为,哪怕只是小学二年级的孩子,他们的好奇心也常常让人非常惊讶。现在,当初的505俱乐部成为了每月一次的天文沙龙。

“我一直这样感觉,天文科普最重要的地方,不是让更多的人去成为天文学家,而是它对每一个普通人,如果了解一点它,都是会有帮助。”朱进感叹道,“我最怕的是,我们的小孩每天都在学习书本上的东西,把所有时间都放在对知识的积累和能力的培养上,渐渐地,他对身边事物的好奇心就会减弱,最后变成一个只有知识而没有好奇心的人,这特别可怕!”

“如果很多事,你一直将自己拘泥于地球上,在一个直径一万多公里的大石头上搞事情,这么小的一个尺寸,你把思维局限在里面,但你想想宇宙有多大?”他双手比划着,思绪早已随着卷发飘扬,“在这么大的尺度里,各种极端的环境,极端条件,地球上肯定不会有,因此它发生的各种事情,你在地球上的实验室里根本就模拟不了,这就是天文的特征。”

朱进本人无疑就是这样一位充满好奇心的人。自他考入北京师范大学天文系,开始越来越喜欢天文以来,至今好奇心就像手机游戏里的那只汤姆猫一样,声音惊艳,永远不会衰老。而唯一不一样的是,今天作为北京天文馆馆长的朱进,他不仅关注好奇心,而且也关注好奇心本身是如何生长出来的。

除了北京天文馆馆长,朱进还有多重身份:国际天文学联合会小天体提名委员会委员、《天文爱好者》杂志主编,以及北京UFO研究会副理事长等。几乎每个月,遇到天文爱好者,甚至遇到普通人,他都会问及对外星人的看法?更过激者,甚至寄给他视频,信誓旦旦声称拍摄到了UFO。

对外星人的好奇,的确可以展现作为一名性格严谨的小行星专家身上的另一重好奇基因。而实际上,在朱进的科学及认知谱系里,外星人必定存在宇宙中,而且大量存在,数目众多,唯一的麻烦是,我们目前还没有发现它们。在多次媒体访谈中,他都如此表述过。现实中,各种UFO或疑似外星人造访地球的视频或新闻层出不穷,最终都一一破解,朱进认为那些更多的是人们一厢情愿的想象而已。

朱进承认外星人存在的依据,是建立在他作为一个天文学家的科学想象基础之上,与一般普通人认为外星人的存在有本质区别。朱进说,“我们生活在地球上,它在太阳系中,而银河系有一千亿颗太阳一样的恒星,分布在草帽一样的盘子里,这个盘子里有万亿颗绕着恒星转的行星,因此宇宙存在高等智慧生命的概率不应该只有地球一个,不应该只有万亿分之一。”

“问题是,地球生命46亿年,而我们在地球上有能力发出信号的文明也才不到八十年,即无线电发明以来,若是它在向宇宙中进发,也才走了八十光年,刚还在太阳附近很小的范围。如果这个范围有外星人的话,它应该知道我们,但这么近的距离应该不太可能有,如果这么近都有外星人的话,那宇宙不知道有多少外星人。”朱进用想象力推测。

“那么人类现在能走多远呢?我们发射的旅行者1号走了快四十年,走到了两百个天文单位,若以光速算,也才走了不到24小时,而以光速穿越太阳系需要至少两年,也就是说目前人类的文明才走了太阳系半径的五百分之一,若以我们人类现有的最高水准,派一架飞船离开太阳系,要近万年才有可能。也就是说我们目前根本没能力去与外星人见面。”

朱进解释说,“以前科幻小说说外星人来抢夺地球上的资源,反过来同理,假如外星人造访了地球,那你想想它的文明不知要高出我们多少倍,人家才不稀罕你的那点资源呢!”

几乎可以这样说,“外星人定理”是朱进的想象力或者好奇心的一个支点,也是他这么多年推动天文科普教育的一种趣味方法。我们充满希望的是,假如有一天外星人造访地球,那它一定要先造访北京天文馆,一定要先去拜访那个头发飞扬的高个子馆长。

星空是我们永远的朋友,我希望有一天,天文能够作为一门正规的课程进入我们的中小学课堂,我常常会跟周围的朋友和孩子们说一句话——国家兴亡,天文有责。

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穹顶星光

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本文内容来源于《ELLEMEN》8月刊

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