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10个天文故事:如果这都不能打动你,还有什么能让你心动呢

澎湃新闻记者 沈丹丽

2018-01-10 18:12  来源:澎湃新闻

【编者按】
2017年,科学家们探测到了来自双子星并合的引力波,引力波探测设备LIGO的创始人也获得了诺贝尔物理学奖。
“卡西尼”号在完成了20年的使命后,庄重地告别我们,坠入火星。
中国的“悟空卫星”完成了暗物质的探测,而Fast的500米单口径的射电望远镜还在测试阶段,就观测到了许多脉冲星,但遗憾的是,“Fast之父”南仁东也在这一年离世……
随着这些热点科学新闻事件的发生,天文学变得不再那么“高冷”和遥远,越来越多地进入到公众的视野。
在近日由《知识分子》、上海科技馆、中国细胞生物学会联合举办的一场科学传播讨论会上,国内数家科学媒体平台向公众分享了过去一年科学领域发生的重要事件。上海天文台的左文文博士回顾了2017年天文领域的十大重要事件。
不同于生物医药、人工智能等热门领域,天文学显得比较孤单,但过去一年,它取得了诸多进展。是什么让科学家们对浩瀚的星空有着孜孜探索的动力?大概是人类在庞大的未知面前,始终怀有谦卑、好奇和热情。

以下是左文文的演讲内容:
大家下午好,我会带大家一起来回顾一下2017年最受公众关注的十大天文事件。
一、双剑合璧,开启多信使天文学时代
2017年,刷遍我们手机的当属引力波。2017年引力波领域获得了很多进展,比如这一年多次探测到了引力波事件,其中有一个也是唯一一个是来自双中子星并合的引力波事件。这一次事件之后开启了很多的第一次,比如说我们不仅看到了引力波,也看到了引力波的电磁波对应体,算是开启了天文学当中的多信使观测时代。
也许你们现在在问,什么是电磁波,什么是引力波?电磁波其实就是光,但是这个光并不只是我们常规理解的可见光,还有X射线、伽马射线等,我们的手机信号、电视信号,这些都是电磁波。在我们看来,都叫做“光”。
引力波不同于电磁波,是弯曲时空的波动。一百年前,爱因斯坦就告诉我们,假如我们把四维时空比拟成一个二维的弹簧床,如果你在床上放一个物体,这个物体就会使弹簧床发生凹陷,对不对?那么如果我使这个物体运动发生了改变,突然加速了,或者我使这个物体突然变重了、变轻了,会怎么样呢?这个凹陷程度会发生变化,然后这个凹陷的床面会使得它临近的床面也发生变化。就像是这种变化往外传播了。更形象的一个比喻,就好像是你扔了一个石块,水面发生了扰动,扰动持续往外传播。因此我们把引力波称作是“时空的涟漪”。
空间弯曲的示意图 图片来源:网络
当我们知道了引力波和电磁波之后,你可以想象一下,引力波的探测,可以让我们知道,在那个地方最核心、最源头发生了什么,是双黑洞并合,还是双中子星并合?
电磁波的加入,则让我们知道,后续发生了什么故事。从这一次的双子星并合事件来看,曾经天文学家知道,天上出现了短伽马射线暴,就是伽马射线突然变得很亮,然后慢慢变弱。天文学家知道有一种星,叫做千新星,亮度是新星的千倍以上。可是我们不知道,这些事是可以串在一块的。这次事件,电磁波和引力波几乎同时的探测,让我们知道了原来整个故事的图景是这样的。双中子星并合了,然后有短时标伽马射线暴,然后我们能看到千新星的辐射。并且我们能解释,宇宙当中那么多比铁还重的金属是怎么来的?这些本来是支离破碎的片断,因为这个事件,我们可以串起来了。当然,这个串不是突然的,是我们在以前事件的积累上,发生的一次质变。
而且在这次的探测当中,中国的设备非常给力,南极光学望远镜和慧眼空间望远镜,也都在电磁波探测上做出了贡献。它是观测的一种新方式,也是未来天文学发展的一个新方向。
二、诺贝尔物理学奖花落LIGO创始人
电磁波可以跟引力波一块来做,因为引力波探测现在变得越来越有可能,而且有了更多的设备。有两个探测器非常重要,一种叫做LIGO,一种叫做VIRGO。
早在2017年诺贝尔奖颁发之前,大家就在猜测,今年的诺贝尔物理学奖会属于引力波。果不其然,真的就是被LIGO的三位创始人获得。最左边这位科学家是提出了探测引力波的原理,即利用激光干涉。中间这位相当于是LIGO的PI,组织管理整个大项目。最后一位,喜欢天文的人可能都知道,他是电影《星际穿越》的科学顾问,他在科学上做出了很多的贡献。这三位可以说是LIGO的创始人。还有一位不幸在2017年去世了,否则也是获奖者之一。
2017年诺贝尔物理学奖的获奖人 图片来源:网络
我认为这是今年非常值得铭记的一件事情,是因为它有着一种我们内心很美好的愿望,就是我们希望一个团队很努力,最后获得了成果,希望它获得应有的表彰。
它为什么获得了诺贝尔奖,这个事件可以被称为十大事件之一呢?因为引力波很重要,它可以让我们知道那个剧烈事件的核心在哪里,发生了什么?宇宙大爆炸以后是什么样子的,可能发生了什么?
另外一点它如此重要,是因为它很“难”,能够做到很了不起。有多难呢?由于引力波的信号很弱,即使是最强的天体物理引力波波源发出的引力波强度,到达地球时也只有约千亿分之一。什么意思呢?这个强度的引力波在日地距离上所产生的空间尺度变化仅为氢原子大小。大家脑补一下,太阳到我们的距离,光要走8分钟,也就是1.5亿公里,这么长的距离,只发生一个原子大小的变化,LIGO要探测到。
这里展示了他们的设备,是两个探测器,每个探测器是一个L型,每个臂长是4000米。大家把4000米乘以一个千亿分之一,尺度是多少?也就是说,这么长的臂长,要发生比原子还小很多的变化。而这么小的变化还掩藏着很多的噪声点,比如火车开过去,哪里发生了地震,都会对探测产生影响。变化幅度这么小,而且要排除这么多噪声干扰,是多么难的事情!这件事情LIGO做到了,所以他们获得了诺贝尔奖。对于LIGO创始人,不光是获了诺贝尔奖,复旦中植科学奖也颁给了他们。
未来还有更多的探测器,比如中国会有三个——太极计划、天琴计划和阿里实验计划。这三个计划不同于LIGO,是探测不同频率的引力波。
三、看见黑洞
六次确切的引力波事件中,五次源于双黑洞并合。可以说,引力波的探测又一次给出了黑洞存在的证据。
然而,对黑洞的探测还远远不够。黑洞是一个引力特别强的天体存在的区域,它的引力很强,以至于光子都没有办法出来。要知道我们看到事物,是因为有光子进入到我们的眼睛。如果光子都出不来,我们不就看不到它了吗?所以我们称它为黑洞。
但是黑洞并不黑,如果周围有物质,黑洞会吃这些物质。这些物质的引力能会转化为光和热,从而也能被看到。我们现在对黑洞的研究,有时候是通过一些间接的方法。
以前我们是从更大尺度上间接地了解这些,比如黑洞吃完东西后发光发热,喷出的物质大尺度上是什么样子。如果能设法从靠近喷流产生的源头、黑洞的嘴巴区域收集到信息,将会更给力。怎么办呢?天文学家们给出了一个尝试,拍摄黑洞视界,更直接地看见黑洞。
视界是什么?任何质量的物体,都对应有一个临界半径,如果物体被压缩成球体,其半径小于这个临界半径后就会发生重力坍缩。这也就意味着,其实你也可以被压成黑洞,前提是有办法把你压缩到很小很小,小到几乎看不见。如果让地球变成一个黑洞,就要把地球缩小到10亿倍,压到18毫米,相当于1分钱的直径那么大。
一旦形成黑洞,就会在周围形成一个界面,这个界面被称作视界面(event horizon),尺寸比刚才说的临界半径要大点。天文学家们理论上模拟出,如果黑洞后面有一个平面光源,光子会受到黑洞的强引力场的影响,出现这样的情形:
这个是视界面,视边界内侧的亮度明显更弱,相比之下,看起来就像一个圆形的阴影,外面包围着一个明亮的光环。故此得名黑洞的“暗影”(black hole shadow)。
通过拍摄黑洞视界,将可以验证广义相对论,帮助理解黑洞是如何吃东西的以及黑洞喷流的产生和方向。
我们距离黑洞很远,它几乎变得不可辨认了,望远镜必须做得非常高分辨率才能看到。通常望远镜做得越大,你能分辨得越清楚。这次天文学家们联合了南极的、智利的、美国的、法国的等总共八台望远镜,这些不同位置的望远镜组合成一个阵列,相当于组成了一个大望远镜,称作“视界面望远镜”。它将对银河系中央的Sgr A*黑洞进行长达5个晚上的亚毫米波段观测,捕捉黑洞周围环境的清晰图像,拍摄黑洞暗影。
这时候望远镜有多大,是由相距最远的两台望远镜之间的距离来决定的。现在我们几乎营造了一个口径跟地球一样大的望远镜,它的分辨率就比较足以来看某一些黑洞。
也许你会问我这些望远镜到底能看到多清楚?举一个不太恰当的例子,比如我在上海,我能看到北京的一个人手指冲我摇晃。我们以前探测、计算银河系中心黑洞质量,精度是这么高。而现在世界望远镜看得比这个还要清楚,非常了不起。
天文望远镜就跟生物学上高灵敏度的显微镜、电镜一样,很难申请。可能几百人很早提交申请,然后一年就给我几个小时去看。这次天文学家用了8台很大口径的望远镜,大家花五个晚上,去看一个事情,这是很了不起的。说明大家对它很重视。
科学家看到的是“重视”,而咱们老百姓看到的是热闹。哇!能看到黑洞了!不知道科学家们能看到一个什么样的世界?这也是很值得期待的。尽管还没有结果,但我觉得它值得列入十大之一。
视界望远镜 图片来源:Nature
四、“卡西尼”的辉煌告别
在地下望远镜开展如火如荼的合作时,我们不能忘了,天上还有一个很孤独的身影,那就是“卡西尼”。现在卡西尼已经坠入土星了。
它为什么要坠入土星呢?因为它总有一天会耗尽自己的燃料。当它耗尽燃料的时候,已经听不到我们对它的操纵命令了。为了避免它有一天“不听话”,撞入土卫二、土卫六这些可能有生命的卫星。所以就趁早给它安排:你到土星去看一看,看完之后就到土星大气里去吧。卡西尼就是这么做的,而且到它“死”的那一刻,还给我们发信息。
为什么这个事情引起了公众的广大反响?我今年在微信公众号上看到的文章,不仅有天文同行、天文爱好者写的,还有一些来自以前不了解天文的,现在因为卡西尼认识了天文的人。
这是什么原因呢?我觉得这里面是一种情怀。二十年过去了,卡西尼就比我小了几岁,它没了,很感伤。大家想象一下,卡西尼在外面,是很孤独的。它独自在外面转,被烧到300多次,接收了很多来自地球的指令。尽管它无知无觉,但它做的事情不禁让我们去拟人地想象。而我们有没有好好地去利用这二十年呢?有时候某种情怀,会让我们对天文的进展很感兴趣。
卡西尼1997年发射升空,花了七年时间才跑到土星的一个轨道上。2005年它把它的兄弟惠更斯放到了土卫六上,然后它就一个人继续往前走,看看土卫上有什么。它革新了我们对土星、土卫的认识,我们曾经以为这上面不会有生命,可是它让我们看到了土星环的性质,还让我们知道了土卫上面可能有生命线索。
“卡西尼”被烧到了300多次,执行了250万次命令,根据它的数据,发表了4000多篇文章。天文学影响因子最高的是发Nature 、Science。
现在卡西尼虽然已经坠入土星,但是它的成果还在继续。现在如果去上卡西尼的网站,会发现它的work status是“我们正在处理数据”,所以后期我们肯定还会收到来自卡西尼的科研进展。
卡西尼走了之后,还会不会有设备留在土星呢?可能还会有,但是NASA的经费有限,可能有很多的设备要竞争经费了。
五、NASA发现土卫二具备一种能给生命提供能源的化学能
4月14日凌晨,NASA召开新闻发布会,宣布土卫二上发现一种能给生命提供能源的化学能。在发布会上宣布的是针对卡西尼号2015年10月最后一次也是最深入穿行过土卫二时收集资料的分析结果。卡西尼号在飞经土卫二时对从冰火山喷射出的羽状物进行了采样,利用自身配备的离子和中性质谱仪,对羽流进行了组成分析,发现了近98%的成分是水蒸汽,约1%的氢气,其它成分为二氧化碳、甲烷和氨在内的其它分子的混合物。
这个数据是2015年就采集的,但是今年才做出来在社会上发布的。我们以为土卫二是一颗冰态的卫星,结果发现它上面还有水蒸气,不禁让我们想象,土卫二下面是不是有个地下海洋?而且这里面有个很重要的信息,氢气是怎么来的?科学家们只好继续建模。
有时候不管是天文也好还是生物,拿到的数据是比较枯燥无味的,关键是你怎么解读。科学的解读,这是科学家们做的事情。他们根据氢气做了一个跟地球环境类比的模型,设想这个氢气会不会来自地下海洋?海洋里面有岩层,岩层和水发生一个水热反应,产生了氢气。
如果海底还有微生物,微生物可以利用氢气和溶于水的二氧化碳,可以生成甲烷。在地球上有一些极端环境的微生物,它以甲烷为食。种种这些都是以我们地球上的生物为参考的,需要天文学家、生物学家将来一起弄。
六、AI助力天文学家们发现第二个太阳系
寻找地外的生命,我们是不会仅仅满足于在太阳系里面找的。大家关注科技新闻时,总是会被这样的标题给吸引:科学家发现了第二个地球、科学家发现了类地行星、科学家发现了第二个太阳系……第一次进去看看,看到的多了,就会想,到底哪一个才是我们真的可以相信的呢?
这里我挑出一个,里面有两个关键词,AI和太阳系。随着探测技术和数据分析的发展,目前人类已经探测到了3700多颗系外行星,很大程度上要归功于开普勒卫星。
开普勒90行星系统(上图)与太阳系(下图)的比较 图片来源:NASA
天文学家对于比较微弱的信号,为了避免认错,会放弃这个信号。比如这里面有5颗行星,我认出4颗,就说这里是4颗行星。而且人面对这么多数据,累啊。这次谷歌的工程师就跑过来,当开普勒的数据分析。他训练了AI识别几万个行星的信号,正确率达到96%,然后将它运用在已知的行星系统。AI就在开普勒90里面,除了认证出了科学家们也看到的7颗行星之外,还多看到了一颗。
我相信AI以后真的能帮天文学家做很多事情,因为天文学家经常要面对很多数据挖掘的工作。我看光谱,一天只能看几十个,如果有AI,几秒钟就能帮我搞定。但我可能需要几个月的时间去训练它。
七、中国团队的亮眼表现
悟空获得精度最高的高能宇宙射线电子能谱
刚才说的土卫二、系外行星都是由普通物质构成的,但是普通物质在宇宙中所占的比例5%都不到,有95%都是暗物质、暗能量。其中暗物质有20%多。20%多的东西你不知道是什么,我们对暗物质很感兴趣。
这次暗物质的工作还是由中国创造的“悟空卫星”做到的。探测暗物质的方法有上天、下地和对撞,其中“悟空”采用的是上天的方式,通过探测暗物质的湮灭。
大家看不见暗物质,但是暗物质会湮灭、衰变,产生一些你能看到的信号,比如说电子、质子、伽马光子。“悟空”要做的,是去看一下,宇宙当中的高能电子能谱分布是怎样的?原来我预测的能量分布是这样的,现在探测到是那样的,是不是因为暗物质呢?还有图谱中忽然有个红点跑上去了,“悟空”团队说叫尖峰 结构。这个结构之前没有预测到,会不会是暗物质信号呢?
答案有可能是来自于暗物质,有可能来自于脉冲星。现在“悟空”正当年,身体很好,可以收集到更多的数据。
八、FAST的喜事和遗憾
说到脉冲星,我们很容易想到Fast的500米单口径的射电望远镜。中国重大科技基础设施建设项目Fast最近的新闻是,它还在测试阶段,就看到了很多脉冲星。
FAST望远镜 图片来源:百度
脉冲星是能周期性发出biu~biu~信号的中子星。脉冲星可以告诉你中子星是什么,如何发出脉冲信号。但是Fast不仅仅是做与脉冲星相关的工作,世界上已经发现了2000多颗脉冲星,再多发现几颗又有什么意义呢?Fast现在的工作刚起步,找脉冲星不是它最主要的目标。它更大的目标是去找宇宙当中能够表征大尺度结构——比如星系的外围的中性氢。
利用脉冲星,Fast还能做一些应用型的工作。因为脉冲星能发出周期性的脉冲,也许在将来更远的宇宙,它能当成一个像钟一样的天体,帮助定时、定距离。
但Fast同时也面临了一件悲事,“Fast之父”南仁东老师在Fast宣布它的首批测试成果之前,就离开了我们。Fast从1994年,南仁东老师就开始选址,再组织大家去解决技术难题,快出成果了就去世了。Fast将来出更多的成果,团队建设更大,相信是对他最好的礼物。
九、不约而至的奥陌陌
引力波、黑洞、暗物质、系外行星、卡西尼的告别,几乎就占去了八大事件。第九件,让我们来说说一个可爱的家伙吧。它让我们那段时间都乐活了一阵,调侃外星人来了,雪茄飞船来了。它就是奥陌陌。
2017年10月19日,“泛星巡天”计划发现,太阳系来了一个不速之客:它以每秒26千米左右的速度从天琴座方向,以几乎垂直于黄道面的角度冲进太阳系,与地球擦肩而过,随后就离开了。
刚发现它时,它距离地球3千万千米。大家以为它是颗彗星,结果后续观测并没有看到它具有彗星的特征——彗发,说明它并非由冰块构成的彗星,而是由岩石构成的小行星。借助与大望远镜,我们能分辨出它是个长条形,长400米,宽40米,颜色偏红,就像只雪茄,也像外星飞船。
它被认为是人类首次发现的源于太阳系外的小天体。泛星计划的天文学家们利用夏威夷当地的土语给它命名Oumuamua,意思是“第一位来自远方的使者”,中文将其译为可爱的“奥陌陌”。它是小行星还是彗星,仍然还存在争议。
奥陌陌的艺术想象图 图片来源:ESA
一种理论认为,它可能诞生于太阳附近的一个恒星团。奥陌陌可能从某个年轻恒星的原行星盘中形成,于4000万年前被一颗超级地球弹射出来。至于从哪,如何弹射出来,途中它又经历了什么,些许信息可以从人类对奥陌陌的观测数据中读取出来。
十、望远镜进展多多
这一年,还给未来的进展奠定了一个很好的基础。望远镜是天文学家们的眼。今年,多个望远镜传来了好消息,有些在建设中,有的在筹备中。
2017年6月15日,我国自主研发的硬X射线调制望远镜(HXMT,又名“慧眼”)终于发射升空,顺利入轨,并很快传输回数据。它旨在针对大批高能天体和高能辐射新现象进行研究。8月,它为GW170817的电磁波观测也做出了贡献。又多了一个新的观测利器。
悟空在上面已经详细说了,这里就不再赘述。
口径为12米的“大型光学-红外望远镜”。虽然今年因为究竟要三镜还是四镜方案,天文学家们内部发生了争论,这场争论在媒体报道下,也引起了大众的广泛关注。最终,重新进行了方案评定后,四镜方案胜出。而这台望远镜也最终确定将在云南稻城开建。
这是国内方面的不全面概括。而国外呢?
5月26日,口径为39.3米的E-ELT在智利北部的阿塔卡马沙漠动工,如果一切顺利,将于2024年运行。
由于夏威夷原住民团体的抗议,口径为30米的TMT的建设被停止。就在最近,它又获得了建设许可,能够继续按照原计划,在夏威夷建设。
空间方面,美国又加入空间引力波探测器的建设,使得eLISA又重新成为LISA。
哈勃望远镜从九十年代勤勤恳恳工作了快三十年,要退休了,下一代是什么?下一代太空机器——口径6.5米的韦伯望远镜进入A舱的太空模拟测试阶段,预计2019年发射。韦伯望远镜将关注宇宙最开始的时刻,接收那些大爆炸后2亿年所发出的光子。
韦伯望远镜的妹妹TESS预计将于2018年初发射升空,研究离地球最近的50万颗恒星,搜寻它们星光的闪烁,因为这可能表明了它们周围存在绕转的行星。
还有很多很多。
最后想跟大家分享的是,当人类在苦苦为生存挣扎的时候,有一些人,甚至每一个人,都会有一只眼睛好奇地看着外面。不知道是为了什么。是为了找同伴,找解救,还是为了找到终极问题的答案?
也许做天文,做这么大的望远镜很费钱,也不能像修铁路、研制新药等给我们带来实实在在的好处,但是它可以带来一种更不可思议的利益,就是探索宇宙的奥秘。
如果这都不能打动你,还有什么能让你心动呢?
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责任编辑:洪燕华 澎湃新闻,未经授权不得转载。新闻报料:4009-20-4009
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