天体物理学家郝蕾：宇宙的奥秘，我们头顶那方星空

郝蕾 天体物理学家、中科院上海天文台研究员

　　由中国科协主办的《我是科学家》栏目今天迎来第一讲，天体物理学家、中科院上海天文台研究员郝蕾发表题为“宇宙的奥秘，我们头顶那方星空”的演讲时表示，最初踏上天文科研道路，是被宇宙的可读性打动，天文就如同诗和远方，给人们在探索中带来心动、激情、热情、安静、平和、动力。

　　以下为演讲全文：

　　郝蕾：我是郝蕾，来自上海天文台。很高兴今天能来和大家分享我的科研心得。我演讲的主题是“科学的诗和远方”。对于我而言，天文科研和“诗”、“远方”的确有相通的地方！它带给我们一种清澈、辽远的感觉，同时它关注生活的本质，探索事物的“真”、“善”、“美”，而且能给人们在探索中带来 “心动、激情、热情、安静、平和、动力”。所以经常有人问我，学天文有什么用？其实这个问题要想一想，跟我们日常的柴米油盐相距甚远，但其实和我们为什么关注“诗和远方”性质上是一样的。

　　我最开始踏上科研道路，就被宇宙的可读性给打动了。我们人类都那么渺小，怎么就可以称出银河系的大小，也能称出它有的质量。我们每个人寿命最多也就是百十年，可知道这个宇宙大约有100多亿年的年纪。而我们解读宇宙的语言，其实就是物理规律。有了这些规律人就变得特别强大，可以在浩瀚的宇宙中漫步，可以信手拈来都是故事。

　　比如说我常用到的一个科研工具——光谱，就是一个很强大的、可以解读宇宙的工具。光谱是光的长度在不同波长上的变化，比如说箭头所示，看上去和银河系里面普通行星一样的天体呈现一组很特别的发射线，这一组发射线用我们已经知道的物质很难解释。但是根据多普勒效应，就说明发出这些光的天体，正在离我们飞速的远去，也就是说它退行速度很快。同时根据哈勃定律，这个速度离我们有26亿光年，看上去却比较亮，就说明它本身的光度很大，是银行系的100倍，这是当时发现光度最大的一个天体。这是故事的一个部分。

　　故事的另一个部分——这样的天体，它的光随着时间的变化也很快，快速光变意味着发出这样光的区域来自一个非常小的趋势。举个例子，想象太阳系突然在一瞬间灭掉了，我们会看到什么？在前八分钟里面我们可能什么也不会看到，什么也没有改变，但是从八分钟以后我们会发现太阳的中心开始黑了，这个黑色的圆在两秒钟内迅速膨胀，两秒的时候整个太阳就变黑了，所以说这个两秒的延迟实际上是因为太阳的中心和我们的距离相比于太阳大概要近了2个光秒，由太阳的大小决定的，假如太阳的尺度越大，延迟的时间就会越长，所以说我们看到一个天体它光变化的时间就可以判断发出这些光的物体的尺寸。

　　同样原理放在天体上，根据光随时间变化快慢的原理，我们可以分析出发出光的区域，基本上只有一个太阳系大小。这样一个天体发出很强的光，但是发出这些光的区域，却只有太阳系那么大。想象你要在一个太阳系里面放一些东西，让它能发出超过整个银河系100倍的光强。通过计算，这样巨大的能量只有是超大质量黑洞，大量物质掉入超大质量黑洞所发出的光。所以回过头我们看到，发现黑洞存在其实就用了两个关键的工具，一个是光谱，光谱就是光强随着波长的变化，一个是光变，就是光强随着时间的变化。简单的例子，其实很多天文研究就是这么做出来的。

　　刚才说的是星系中的一种，我对星系的研究特别有感觉，情有独钟。因为我觉得星系很丰富，你看不同星系形态各异，颜色各异，每一个都可以看做一个生态系统，里头有恒星和气体。银河系就是一个普通的星系，银河系也很丰富，里面有一个基本结构，看上去像一个盘状结构，盘上有悬臂，有亮的地方和黑暗的地方，亮的地方是由像太阳这样的恒星发光导致的，那么黑暗的地方，其实就是我最喜欢的东西——尘埃，准确来说是富含尘埃气体云。银河系里面这种富含尘埃的气体云特别多，下面我给大家放大来看。

　　这样看上去是银行系正面的样子，太阳在稍微靠下一点，放大来看，你可以看到实际上这小小一块里面蕴含了很多恒星气体以及各种特征，你可以看到一些隐约的气体云结构。现在我们重点关注其中的一个冰激淋筒星云。你可以看到很多非常漂亮、气状的东西，也有刚形成的恒星。银河系里面的气体云很多，形态各异，非常美丽，它们有一个共同点，看上去似乎都有很多尘埃，好像都是背景光，想透透不过来，这是因为里面确实有很多尘埃。说起尘埃大家都不是很喜欢，因为在地球上的雾霾、沙尘暴都和尘埃有关，但实际上尘埃在对于我们来说非常重要。其实天文学家一开始也不喜欢尘埃，因为尘埃的存在导致我们的视线会被遮挡，看不清东西。比如说银河系的中心，只能看到中心是亮亮的，但不知道里面到底怎么回事，所以大家一开始都是比较讨厌它的。但实际上尘埃是很重要的，它的重要性体现在几个方面。

　　一是因为尘埃可以帮助气体云里面富含氢的原子结合成氢分子，提供了一个平台；二是尘埃颗粒能够帮助挡住那些刚形成的恒星发出的强烈、恶劣的辐射；三是这些尘埃颗粒能够帮助气体云吸收能量，帮助气体云保持一个比较低的温度。低温的气体分子云，才能够慢慢聚集，有一天形成行星系统。太阳系也是这么来的，组成我们地球的岩石、土地基本上都是因为星际尘埃的存在而形成的。说起这个星际尘埃，它的颗粒比较小，像燃烧蜡烛火苗上面冒出的青烟。除了这些典型的尘埃颗粒以外，也有一些更小的尘埃分子，可能只由几个或者几十个分子组成，这样小颗粒的尘埃，实际上在地球上也是常见的，比如说烤肉或者是汽车尾气，甚至是我们痛恨的雾霾里面，都有小颗粒的尘埃。

　　我和尘埃结缘于2003年。2003年有一个重要的红外望远镜叫作Spitzer，我加入了仪器组。红外望远镜可以用红外辐射来直接看到尘埃的光，它也是第一个以超高灵敏度看到星系发出的尘埃辐射仪器。正好我当时研究的信息里面，有一类信息也确实面临着尘埃辐射长久的困惑。像类星体这样依靠中心的超大质量黑洞其实有很多种，但是之间的观测特征略有不同。有的有射电辐射，有的有宽的发射线，有的有窄的发射线，这种略有不同我们大家后来统一把它们称作活动星系河，为什么这样叫？是因为我们业界有一个非常流行的理论，认为不同的活动星系本质上都是一样的，都是在中心有一个超大质量黑洞，而且这个黑洞旁有很多气体和恒星掉落。但为什么观测上看上去略有不同，是因为我们看的角度略有不同。为了解释这些现象，这个理论就要求在这个黑洞以及吸收盘外，有一个比较大的富含尘埃的气体云，这个气体云看上去不是全角覆盖，而是像一个面包圈一样。因为有一个气体云，当我们看向中心的视线是测向的话，视线就会被这个气体云里面的尘埃挡住，看不到最中心发出来的辐射特征，但是我们朝着正向方向看向中心的话，我们视线就可以看到辐射以及吸收盘的辐射，所以根据角度的不同，看到的观测特征也不一样，但本质相同。

　　这样的尘埃环结构只有几十个光年那么大，即使在离我们最近的星系里面也很难看到。但是在十几年的过程中，在很多波段和观测里面都得到了间接的证实。根据这个理论，你应该期待在这种正向看过去的活动星系河里面看到的发射线相比于吸收线而言，应该是发射状态，可我们之前一直都没看到尘埃的发射线探测，所以它上天不久，很快我们就收集到了一些非常优质的数据。那时因为卫星刚刚上天，仪器组需要每天开电话会议，大家聚在一起讨论仪器运行状态，以及测试结果，但参与讨论的人很多，有来自各个不同领域的，做不同方向的，其中有一天有一个做恒星的同事，他提到了尘埃发射的硅酸盐发射的谱。当时，我刚进入红外观测领域不太久，有点懵，但是他的提醒让我想起两年之前读博士时看到的一个报告，里面提到了活动星系还没有观测到尘埃的硅酸盐的发射谱，我就开始寻找，就是因为这个望远镜它的灵敏度比以往的红外探测器的灵敏度高很多，从此我就开始了这个研究领域。我博士读的绝大多数都忘记了，但是我脑子里还是有一些关键词，也许在某一个特别的时候激发出来。所以我现在常常劝我的学生，你们一定要去多听报告，然后多看文献，你们所看的，所听的，即使觉得和你当时正在做的事情没有太大的关系，未来可能为你打开一个新天地。

　　要有好的天文发现，我们需要有特别强大的望远镜，或者强大的观测设备，观测设备的设计和建造需要高端工程师和望远镜专家共同来完成的，所以这个工作实际上给天文带来一些和其他学科不一样的色彩，这意味着我们除了探索宇宙，进行科学研究之外，还需要面临怎么和工程师交流的问题。实际上工程师和科学家之间说着不太相同的语言，比如科学家会说我希望你这个设备能够覆盖几个角秒，但对于工程师来说，你的要求意味着器件需要多少毫米。所以要求天文学家，特别观测天文的学者需要具有一定的工程概念，给我们的科研生活带来很多挑战，但这也是我觉得天文让我着迷的地方。

　　当然我们的问题还有很多，比如现在非常缺真正能够起到连接科学和技术桥梁作用的人才，也缺乏现代天文大项目管理经验。另外，在一些很基本的器件性的工程水平上，比如说红外探测器方面，我们的差距很远。所以我们还需要继续努力，也希望大家保持关注。

　　总得来说，我觉得天文科研这一路走来，对我而言都是风景。我很庆幸能够选择天文科学作为职业，让我不需要去寻找，就可以每天和科研的诗与远方相伴，感谢大家听我的演讲，听我聊一聊我自己的心得和体会，谢谢大家。