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宇观星系 微知天体

来源:  发布时间:2016-06-02

——记北京大学天体物理研究员王然
  
本刊记者 杜月娇

  
  
  “宇宙一度又烫又稠密,亿年前终于爆了炸等着瞧……地球开始降温,自养生物来起哄,穴居人发明工具,一切由大爆炸开始……星系形成时间比唱完这支歌还要短,元素在微秒间便形成了……”相信很多美剧迷对《生活大爆炸》这段歌词一定不陌生,也对其中不断爆出的科学理论知识充满好奇。王然所从事的就是充满玄妙的天体物理学,眼前的她,优雅中透着知性,就是这样一位温柔如水的女性,在天体物理研究上却可以有穿透坚硬磐石般的韧性。她背后究竟有怎样故事?记者带您走近天体物理学家——王然。
  
探寻宇宙奥秘:溪汇百川而成海
  
  徜徉于温柔的星空,很多关于生命的美好畅想也会随之不断迸发,对王然来说却不尽是如此,在宇宙神秘的一隅存在着很多神秘的剧烈运动,这些运动怎么形成的?演变的过程是什么?她所从事的观测研究便围绕于此。从地球物理到天体物理,听她娓娓细语讲述一路走来与浩瀚星空结下的不解之缘,原本抽象晦涩的天体研究也变得有趣了。
  2015年2月26日,国际顶级周刊《自然》刊登了以北大天文学者为主的国际团队的最新发现,吴学兵教授领导的团队发现一颗距离地球128亿光年(红移6.3)、中心黑洞质量为120亿倍太阳质量的类星体。其光度为太阳的430万亿倍,比目前已知距离最远的类星体还亮7倍。
  类星体是一种在极其遥远距离外观测到的高光度和强射电天体,它的中心是质量超过太阳质量千万倍的超大质量黑洞,通过研究远距离高红移类星体,人们可以窥知早期宇宙结构和演化的信息,王然和她的团队目前正从事此科研项目的研究工作。
  宇宙大爆炸理论认为,遥远的星系都在向四周退行,都在离我们远去,由于宇宙膨胀,类星体发出的光线的光谱向长波方向移动,即为宇宙学红移。“在已知的红移6的最明亮的类星体中,大约30%有着明亮的尘埃辐射,其远红外光度接近甚至超过低红移宇宙中存在剧烈恒星形成活动的星系。也就是说,这些宇宙极早期的类星体寄主星系内部存在着剧烈的恒星形成活动。”王然耐心地向记者阐述她的观测研究成果。据了解,她所从事的工作是相关科研领域第一次对大样本的红移6类星体的毫米波和射电辐射,以及寄主星系中的恒星形成活动水平给出了总结性的研究。
  “求木之长者,必固其根本;欲流之远者,必浚其泉源。”做科研也是如此,浩瀚无边的天际充满了无穷奥秘,开启这一扇扇神秘大门没有捷径,只能从根源一点点探索起,逐步建立起自己研究领域的框架体系。从第一次“触电”国际先进射电天文台,到第一次完成对类星体毫米波和射电辐射,并寄主星系中恒星形成活动作出总结性研究,王然一砖一瓦搭建起自己的“科研大厦”。
  谈及自己以博士研究生身份到美国国家射电天文台进行为期两年的观测研究时,王然言辞间充满对恩师和母校的感恩。“当时系里老师非常注重学科教育上与国际前沿科技的接轨。”科技要走出去,与世界尖端技术接轨,是相关科研项目得以细水长流的重要影响因素,多年国外学习、科研工作经历不仅让王然有机会与国际前沿技术接触,更教会了她在学术研究中以独立的视角展开学术交流。“北大走出去的学生独立性很强。”
  2006?2008年间,王然曾以交流生身份来到美国,初到美国时,除了扑面而来的新鲜感,还需要克服语言、饮食、文化等各种不适应,更不能忘记母校和恩师的重托,需要抓紧一切可以学习的机会,弥补国内当时在这一领域科研观测方面弱项。在国际著名射电天文学家Chris L. Carilli博士的指导下,她曾多次申请到美国国家射电天文台(NRAO)和法国毫米波天文台(IRAM)的观测时间,完成了对近30个红移为6类星体(当时能收集到的最大样本)射电波段连续谱、尘埃远红外连续谱的观测。
  
换个角度探寻:水到而后渠成
  
  “感觉自己是很幸运的,能够一路学习和钻研自己喜欢的专业。”王然语气从容又不失温柔地回答记者提问。小时候,和很多孩子一样,王然也对神秘的天文宇宙极为向往,让她尤为印象深刻的是爸爸买给她的望远镜,虽然只是个玩具,但探索未知宇宙的求知种子却已悄然萌芽。现在,她也会在假期约上朋友、带上家人到郊外看看星空,这既是一种放松自己心情的生活方式,也为科研打开了另外一扇窗户。
  2015年7月14?16日,东亚活动星系核研讨在吉林长春如期举行,这是继韩国济州和日本札幌成功举办后的第三次会议。王然说“这样的会议对我们来讲是一个窗口,和国际同行聚在一起,互相讨论学习,或者做学术研究上的合作。针对不同问题从不同视角做分析,大家在分享自己学术成果的同时,也很有可能与其他人的成果碰撞出新的火花。”
  古希腊哲学家芝诺曾说过:知识就好像一个圆,已知的在圆内,未知的在圆外,知道的越多,这个圆越大,圆越大,未知的就越多。王然也有同感:“越往里走,越觉得这个世界越广阔,未知的东西就越多。”2008?2011年间,王然又展开了对红移6类星体的分析CO谱线观测研究,发现并证明了这些宇宙极早期的类星体寄星系中,存在着大量的分子气体成分,这些分子气体为黑洞吸积以及星系恒星形成提供了必须的原料。同时,CO谱线的发现也成为这些系统中存在着剧烈恒星形成活动的有力证据,也为类星体寄主星系的动力学质量给出了重要的限定。乘胜追击,王然又在2011年成功申请到欧洲南方天文台赫歇尔空间望远镜对弱发射线类星体和红移6类星体尘埃辐射两个项目的观测时间。
  很多事情的坚持源于内心的最初坚持,在前行路上遇到各种困境阻碍自然也是常态,制胜的关键取决于团队实力和魄力。ALMA毫米波射电望远镜作为美国国家射电天文台、欧洲南方天文台、日本国家天文台等多个国家联合制造的世界上最大的亚毫米波和毫米波地面望远镜阵列。在早期试验观测阶段,面对1年中仅有600个小时的宝贵观测时间的境况,要想在全世界范围内已经提交的900多份观测申请中脱颖而出,不仅需要强硬的科研实力做支撑,也需要强大的抗压能力做保障。值得高兴地是,王然和她的团队已经完成了第一期的观测,且在5个红移6类星体的寄主星系中发现了明亮的[CII]辐射。
  浩瀚无边的宇宙藏有太多未知的奥秘,王然对红移6类星体以及其寄主星系共同演化过程的研究发表在天文学杂志(The Astronomical Journal)、天体物理学杂志(The Astrophysical Journal)等国际一流学术期刊上。也曾多次被自然(Nature)杂志的文章引用,并因此在2010年获得国家射电天文台“Jansky fellow”博士后研究基金及职位,这是国际射电天文界最具竞争力的博士后研究职位。
  “从最开始出国交流,就抱着一定要回国的心。”在国外的这些年,王然与北京大学类星体研究团队也一直保持密切合作和交流,她渴望将自己这几年在类星系演化领域的研究,以及在毫米、射电波段的观测经验介绍给北京大学的学生们,号召更多感兴趣的同学加入到自己的研究团队中,为祖国培养射电天文领域的后备人才。
  2013年,伴随贵州平塘县的500米口径球面射电望远镜主题圈梁合龙,世界最大的单口径天文望远镜全面进入设备安装阶段,FAST是我国天文望远镜建设领域的重大突破,预计在2016年投入使用,将在未来20?30年保持世界一流设备的地位。近年来,政府投资在建的天文台、望远镜项目不断增多,这也给越来越多优秀天文学者以信心,王然自然也是其中一员。虽然说,现阶段中国在天文观测方面的硬件设施还难以与世界上一些地区相抗衡,但如果在实际观测中真的需要用到相关天文观测台,王然多年留学经历也为她积攒了丰富的资源,硬件设备并不足以成为她科研观测道路的主要阻碍。
  回国后,王然提到自己面临的一个大挑战是师生角色的转变和互换,一方面自己还要继续在黑洞和寄主星系的共同演化上做相关课题研究,另外一方面,她现在也开始带学生,既要站在科研者的角度踏踏实实搞观测研究,还要站在教书育人角度辅导学生投入到科研中。“从本科到博士研究生,在天体物理科研方向的启蒙老师,吴学兵老师给了我很大的帮助,包括在师生角色转换、科研学术上的指导。”
  
坚持做好自己:水利万物而不争
  
  天文学家认为,宇宙间的一切物质都在运动中,遥远的星系同样在远离我们而去,例如北冤星系团大约以每秒21600公里的速度飞奔而去;武仙星系团约以每秒10300公里的速度离开我们;后发座星系团约以每秒6700公里的速度离开我们。
  这些星系为什么要离开我们?我们又是怎么知道它们在运动的呢?第一次听到这样的疑问还是在王然本科加入青年天文协会的时候。其实了解、学习甚至钻研这个专业,对绝大多数人来讲最重要的是兴趣,只有投入其中才会发现里面待探索的有趣问题非常多,只有处于这个状态时才能学习到更多知识。王然对自己学生的要求也是如此。“兴趣是第一生产力”,现在,王然正带领自己的科研团队做“红移6类星体寄主星系的演化特征”的研究。“他们和当年我刚去美国做交流生时年龄差不多,团队两个人都是“90后”的孩子,接受力很强的年纪。”王然谈到自己所带的两个博士,眼睛里温柔之光点点闪烁。“其实,感觉自己就像是他们的姐姐一样,他们很多想法都很棒,是我们团队里所需要的新鲜血液。”
  宇宙形成初期,第一代恒星、星系、和黑洞的形成被列为是美国第6个十年天文计划(The Astro2010 Decadal Survey on Astronomy and Astrophysics)的三大首要目标,预计在2010?2020年间重点展开对此三个项目的观测研究。未来3年内,王然和她团队的科研课题也基于此展开对超大质量黑洞和星系的形成与演化的科研观测。牛顿曾说过:如果我比别人看的远一些,那是因为我站在巨人的肩膀上。比起当年王然自己一个人“单刀赴会”勇闯美国、欧洲等世界知名天文台争取最佳观测时间,现在王然所带的学生无疑是幸运的,她已经凭借多年观测经验以及人脉资源积累,为他们打造了一支底气十足的团队。
  “眼下还是有挺多事情要忙的。ALMA对J1319+0950,J1044-0125,J0129-0035 三个源[CII]和尘埃连续谱的成图观测已于2015年11月完成。我们将开始进行数据处理和分析。同时推动ALMA对样本中其他源的[CII]、尘埃连续谱、以及CO(6-5)谱线的观测。”在王然心里,探寻未知是一件很有魔力的事情,尤其能够和一群志同道合的人在一起努力,就更让她着迷。“我比较喜欢这样的氛围”,她说。
  水有很多形状,蒸而变为雨;冷而结成雪、化为雾;又或凝结成一面如晶莹明镜的冰,不论其变化如何,仍不失其本性。王然,也有着如水般的温柔,如水般的坚韧,低处成湖,高处成瀑。她,享受着当下,也创造着未来。
  

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2024年5月

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