[科普中國]-宇宙如書，傾心閱讀，無數(shù)的故事，送給同樣好奇的你 | 郝蕾

比起天文學(xué)家要研究的時間和空間尺度，一個世紀以及小小的地球，不論怎樣都渺小之極，然而人類就是用了不到百年的時間，了解到大爆炸、宇宙的加速膨脹、星星從形成到死亡的過程……那些自古以來人們就有的，看上去遙不可及的問題——宇宙有多大，從哪來，到哪去，星系的形成和演化，正在被天文學(xué)家們當(dāng)作實實在在的課題研究著；“詩與遠方”就在當(dāng)下，不需要去刻意尋找——郝蕾，作為一位好奇的觀星者，她有無數(shù)的故事，準(zhǔn)備送給同樣好奇的你。

以下為郝蕾演講實錄：

我是郝蕾，來自上海天文臺。很高興今天能來到這里和大家分享我的科研心得。

這次活動的主題是“科學(xué)的詩和遠方”，對我而言，天文科研和“詩”、“遠方”的確有相通的地方，它們都給我們帶來一種清澈、遼遠的感覺，同時它們關(guān)注的都是生活的本質(zhì)，它們所探索的都是事物的“真”、“善”、“美”，也都能給人們在這種探索中帶來一些心動、激情、熱情、安靜、平和和動力。

（中科院上海天文臺研究員郝蕾。）

解讀宇宙的語言是物理規(guī)律

有人經(jīng)常問我，學(xué)天文有什么用？

天文確實跟我們?nèi)粘５牟衩子望}相距甚遠，但這個問題其實和我們?yōu)槭裁搓P(guān)注“詩和遠方”在本質(zhì)上是一樣的。

我最開始踏上科研道路的時候就被 宇宙的可讀性 給打動了。我們?nèi)祟惸敲疵煨。覀兛梢浴傲俊背鲢y河系的大小，“稱”出它有多大的質(zhì)量；我們每個人壽命最多也就是百十年，但我們可以知道這個宇宙大約有100多億年的年紀。

我們解讀宇宙的語言，其實就是解讀物理規(guī)律， 有了這些規(guī)律人就變得特別強大，就可以在浩瀚的宇宙中漫步，就可以信手拈來都是故事。

比如說我常常用到的一個科研工具，光譜，光的亮度在不同波長上的分布，它就是一個很強大的、可以解讀宇宙的一個工具。

舉一個例子，這里有一個看上去和普通恒星一樣的天體，但當(dāng)天文學(xué)家拍到它的光譜的時候，他們發(fā)現(xiàn)，它有一組奇怪的發(fā)射線。

（類星體3C273）

一般發(fā)射線是由物質(zhì)在特定的波長處發(fā)射的?？墒沁@些線對應(yīng)的波長用我們知道的物質(zhì)都很難解釋。除非把它們看成是被紅移了1.16倍的氫原子發(fā)射線，就可以同時把這一組線都解釋地很完美。

物理學(xué)里的 多普勒效應(yīng) 告訴我們，這樣的紅移意味著這個天體在飛速離我們遠去，而這樣的退行速度按照哈勃定律就告訴我們它其實離我們很遠，有26億光年，所以它并不是銀河系里的一個普通恒星。它那么遠，又看上去挺亮，說明它本身的光度很大，是整個銀河系的100倍，那時候大家還沒有見到過光度這么高的天體。

故事的另外一個部分是，這顆天體的光隨著時間的變化很快，這樣的快速光變意味著光來自一個非常小的區(qū)域。

為什么呢？想象太陽有一天突然在一瞬間滅掉了，我們會看到什么？

從第八分鐘開始，我們會發(fā)現(xiàn)太陽的中心開始黑了，有一個黑點，這個黑色的圓迅速膨脹，在兩秒鐘內(nèi)整個太陽就變黑了。這個兩秒的延遲實際上是因為太陽的中心和邊緣到我們的距離差了2個光秒的樣子，這是由太陽的大小決定的，假如太陽的尺度越大，延遲的時間就會越長。 所以說，我們根據(jù)一個天體它光變化的時間就可以判斷發(fā)出這些光物體的尺寸。

放在這顆天體上，我們根據(jù)它的光隨時間變化的快慢，可以分析出它發(fā)光的區(qū)域，基本上只有一個太陽系的大小。

這樣一個發(fā)光體，只有太陽系的大小，但能發(fā)出超過整個銀行系100倍的光強，通過計算，這樣巨大的能量只能是超大質(zhì)量黑洞， 這些光是大量的物質(zhì)掉入超大質(zhì)量黑洞的過程中所發(fā)出來的光。

回過頭來看，我們發(fā)現(xiàn)這個黑洞的存在其實就用了兩個關(guān)鍵的工具，一個是 光譜 ，是光強隨著波長的變化；一個就是 光變 ，就是光強隨著時間的變化。很多天文研究就是這么做出來的。

渺小卻重要的星際塵埃

這樣的類星體是種種星系中的一種。

我對星系的研究情有獨鐘，因為我覺得星系很豐富：不同星系形態(tài)各異，顏色也各異，每一個都可以看做一個生態(tài)系統(tǒng)，里邊有恒星有氣體，都在不斷運動和相互交換中。

（郝蕾演講。）

我們銀河系就是其中這么一個普通的星系，它也是很豐富的，它有一個基本的結(jié)構(gòu)，看上去像一個盤狀，盤上有懸臂，有亮的地方和黑暗的地方，亮的地方是像太陽這樣的恒星發(fā)光導(dǎo)致的，那么這些黑黑暗暗的地方，它們是我最喜歡的東西—— 塵埃 ，準(zhǔn)確地說是 富含塵埃的氣體云 。

銀河系里面這種富含塵埃的氣體云特別多，下面我給大家放大來看一個。

這是銀河系正向看過去大概的樣子，太陽在稍微靠下的地方，我把下面的一塊放大來看，再取其中一小塊兒放大，這小小一塊里面蘊含了很多的恒星和氣體。再取右上角這么一小塊把它放大來看，已經(jīng)可以看到一些隱約的氣體云的結(jié)構(gòu)了。其中的一個叫 冰激淋筒的星云 ，非常漂亮。

銀河系里面這樣的氣體云很多，它們形態(tài)各異，非常美麗，它們有一個共同點，就是都有很多塵埃，看上去好像都是背景有光，想透透不過來的這種感覺。

說起塵埃，大家都不是很待見，因為在地球上霧霾也好，沙塵暴也好，都是和它相關(guān)的，甚至想把它從我們?nèi)粘Ｉ钪汹s走。其實天文學(xué)家一開始也是不喜歡塵埃的，因為這個塵埃的存在導(dǎo)致我們想看一些東西的時候，視線會被這個塵埃擋住，看不清東西，比如說銀河系的中心，我們只能看到中心是亮亮的，但是不知道里面到底怎么回事，所以大家一開始都是比較討厭它的。 但是實際上塵埃是很重要的，它的重要性體現(xiàn)在幾個方面。

塵埃能幫助氣體云里面富含的原子氫結(jié)合成分子氫，并吸收多余的能量；同時塵埃顆粒還能夠幫助擋住那些剛形成的恒星發(fā)出來的惡劣的輻射，降低整個氣體云的溫度，保持他們在一個較低的溫度。這樣的溫度比較低的氣體分子云，才有可能慢慢地聚集，最終塌縮成恒星及其行星。我們的太陽系也好，組成地球的巖石、土地也好，基本上都是因為星際塵埃的存在而慢慢形成的。

（塵埃的重要作用。）

有的星際塵埃的顆粒是比較小的，有點像燃燒的蠟燭火苗上面冒出的青煙，還有一些更小的這種塵埃，可能只由幾個或者幾十個分子組成。這樣小顆粒的塵埃，實際上在地球上也是常見的，比如烤焦的肉、汽車的尾氣，或者我們痛恨的霧霾里面，都有這樣子的小顆粒的塵埃。

我和塵埃結(jié)緣開始于2003年。那一年有一個重要的紅外太空望遠鏡Spitzer上天，而我也是在那一年加入這個望遠鏡的一個儀器組。Spitzer可以用紅外輻射來直接看到塵埃發(fā)出的輻射光譜，也是第一個能以超高的靈敏度觀測星系發(fā)出的塵埃輻射的設(shè)備。正好我當(dāng)時研究的一類星系，在塵埃輻射方面有一個長久的困惑。

（郝蕾演講。）

像剛才我們提到了類星體這樣依靠超大質(zhì)量黑洞活躍吸積而發(fā)出巨大能量的星系，其實有很多種，有的有很強的射電輻射，有的沒有；有的有較寬的發(fā)射線，有的則較窄。我們后來統(tǒng)一把它們稱作 “活動星系核” 。

為什么統(tǒng)一這樣叫呢？是因為業(yè)界有一個非常流行的理論， 認為不同的活動星系核它本質(zhì)上都是一樣的，都是在中心有一個超大質(zhì)量黑洞，黑洞旁邊有很多的氣體掉落。 不同的活動星系核看上去不同，是因為我們觀察的角度略有不同。

理論要求除了黑洞和外面的吸收盤之外，還得有一個比較大的富含塵埃的氣體云，這個氣體云不是全角都覆蓋的，而是像一個面包圈一樣的形態(tài)。這樣，當(dāng)我們從側(cè)向看向中心的時候，視線就會被這個面包圈氣體云里的塵埃擋住，看不到最中心發(fā)出來的輻射特征；而如果這個星系中心正好面向我們，我們的視線就可以看到中心的超大質(zhì)量黑洞和吸積盤，就可以呈現(xiàn)和剛才側(cè)向看過去的活動星系核不同的觀測特征。

這樣的塵埃環(huán)的結(jié)構(gòu)太小了，只有幾十個光年那么大，即使在離我們最近的活動星系核里面也很難看到它。

在過去幾十年的過程中，這個理論在很多波段的觀測中都得到了間接證實，但是在塵埃輻射方面一直有困難，我們在之前一直都沒有看到過這種塵埃的發(fā)射線。

Spitzer望遠鏡上天不久，我們收集到了一些非常優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)。那個時候因為衛(wèi)星剛剛上天，我們儀器組每天都要開電話會議，大家聚在一起討論儀器運行的狀態(tài)，以及一些測試的結(jié)果。參與討論的人很多，有來自各個不同領(lǐng)域的，做不同方向的研究。其中有一天有一個做恒星的同事提到了塵埃的硅酸鹽發(fā)射線。

那時我剛剛進入紅外觀測領(lǐng)域不太久，有點懵懵的感覺，但是他的提醒讓我想起了兩年之前讀博士時聽過的一個報告，報告提到了活動星系核“統(tǒng)一理論”面臨的一個困難就是還沒有觀測到塵埃的硅酸鹽發(fā)射線。

將這兩件事聯(lián)系起來之后，我就開始尋找這個發(fā)射譜線，而且Spitzer望遠鏡的靈敏度比以往的紅外探測器高很多，我很快找到了一批，從此開始了一個新的研究方向。

其實我博士時聽到的報告無數(shù)，大多都沒有什么印象。但可能這些被我遺忘的報告有些關(guān)鍵點還是會留在記憶的某處，在某個特別的時候被激發(fā)出來。所以我現(xiàn)在常常勸我的學(xué)生，你們一定要去多聽報告，多看文獻，即使和你當(dāng)時正在做的事情沒有太大的關(guān)系。 因為，也許在未來，你曾經(jīng)聽到的，看到的，可以為你打開一個新的天地。

天文學(xué)依然有許多挑戰(zhàn)

好的天文發(fā)現(xiàn)，需要強大的望遠鏡，或者強大的觀測設(shè)備，而這些設(shè)備的設(shè)計和建造都是需要高端的工程師和望遠鏡專家來完成，這給天文學(xué)帶來了一些和其他學(xué)科不一樣的色彩。我們在探索宇宙進行科學(xué)研究之外，還需要面臨怎么和工程師交流的問題。

（世界各地的望遠鏡和觀測設(shè)備。）

工程師和科學(xué)家之間說著不太相同的語言，比如科學(xué)家會說我希望這個設(shè)備能夠覆蓋天上多么角秒的視場，但是對于工程師來講，這個要求到底意味著某個器件需要多少毫米。所以天文學(xué)家，特別是 觀測天文學(xué)家需要具有一定的工程概念。

這給我的天文科研帶來了很多挑戰(zhàn)，因為很多東西我整個上學(xué)期間不僅沒學(xué)過，有的連聽都沒聽過。但這也是讓我對天文科研越來越著迷的地方，因為它常常迫使我學(xué)習(xí)新的東西，也常常讓我能夠體會到 “今天又知道多一點”的這種快樂，眼界也越來越開闊，看到的風(fēng)景也越來越壯觀，越來越美麗。

當(dāng)然現(xiàn)在的困難還是很多的：我們很缺能夠在科學(xué)家和工程師之間起橋梁作用的人才，我們很缺現(xiàn)代天文大項目的管理經(jīng)驗。還有一些基本的器件性的工程水平，例如紅外探測器水平還差得很遠，希望大家廣泛關(guān)注。

總的來說，天文科研這一路走來，對我而言其實都是風(fēng)景。我很慶幸能夠選擇天文科學(xué)作為我的職業(yè)， 讓我不需要去尋找，就可以每天和科研的詩與遠方相伴。

今天感謝大家聽我的演講，聽我聊一聊我自己的心得和體會。謝謝大家。

互動問答

提問：宇宙的膨脹最終會停止嗎？

郝蕾：根據(jù)現(xiàn)在對宇宙的理解，我們覺得它不會停止膨脹，不僅不會停止，而且可能會一直加速膨脹下去。這就意味著我們宇宙中的天體會慢慢遠離我們而去，地球會越來越孤立，我們看到的天、星空會越來越暗。

提問：你小時候?qū)W習(xí)成績好嗎？

郝蕾：說實話我小時候?qū)W習(xí)成績不好，不過我覺得成績好與不好其實并不重要，重要的是學(xué)習(xí)的時候是不是用心、是不是努力。我小的時候?qū)W習(xí)是很努力的，現(xiàn)在回想起來，這種努力帶給我很多好處，其中可能是最重要的一點就是它讓我在這種努力中慢慢體會到了學(xué)習(xí)的樂趣——有一些東西，我原來不會的，通過克服困難慢慢學(xué)會了，我體會到這種快樂。這樣的快樂以及它帶給我的動力，至今都讓我受益。

這次的分享就到這里了，后續(xù)我們還會為大家?guī)砣~盛、楊波兩位科學(xué)家的視頻+圖文回顧，歡迎持續(xù)關(guān)注我們。