本刊记者  李明丽

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。

中科院上海天文台研究员、博士生导师，星系动力学团组首席，中国科学院“百人计划”入选者沈俊太就志在解开谜团，努力带给更多人对宇宙的神秘向往，吸引越来越多的星空探秘人不断探索未知领域。科研脚步绕地球一圈，回到祖国后的沈俊太，喜人成绩接踵而来，而他却总是说，需要继续努力才能不断前进。

走近宇宙

自幼成长于普通农村家庭的沈俊太，尽管当时的教育条件非常落后，但他依然以优异的成绩考取了山西省重点中学临汾一中，并在那里逐渐对物理科学产生了浓厚的兴趣。高考那年，他以优异的成绩考入中国科学技术大学。在大学校园浓厚的科研氛围中，沈俊太不仅增长了知识，也开阔了自己的视野。

本科毕业后，沈俊太踏上了东行的航班，飞抵大西洋彼岸的美国。此后，他的学术之路便越走越远，而身后留下的是一串星光熠熠的印记。1999年，他在美国西北大学物理与天文系获得硕士学位；2005年，在美国罗格斯大学获得天体物理博士学位。值得一提的是，沈俊太的博士论文荣获2006年度罗格斯大学Richard J. Plano博士论文奖。同年，29岁的沈俊太作为Harlan Smith 冠名博士后，开始了在德克萨斯大学奥斯汀分校的科研工作。无论是“博士论文奖”，还是“Harlan Smith冠名博士后”，都是这两所著名大学里中国留学生首次获得的荣誉。

遨游在神秘的宇宙，沈俊太主要从事星系结构及动力学研究。在银河系的动力学结构中，他在棒旋星系，超大质量黑洞的测量，星系翘曲等诸多领域都做出了重要贡献。首次用无碰撞多体模拟的方法产生出了接近现实的双棒星系，并首次发现了双棒转动速度的波动性，此模型可成功解释双棒星系的众多观测特征；通过对星系建立基于轨道迭加的自洽动力学模型，精确测量出了超大黑洞的质量和星系暗物质晕的质量分布。

4年后，沈俊太入选中科院“百人计划”，作为杰出海外人才回到了祖国的怀抱。落户中科院上海天文台的他，继续从事着星系动力学的前沿研究。

其实早在回国之初，沈俊太还在学习重新适应国内的新环境，甚至比在美国时还要加倍努力。“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。他说，走得很快，是因为自己在一艘走得比其他船都要快的大船上。他所指的“大船”，无疑是正在飞速发展的中国。

经过自己的不懈努力，沈俊太陆续获得了国家自然科学基金等各项项目的资助，并作为科研骨干参与了自然科学基金委重点项目。他也参与了两项国家“973”重大科学研究计划，并取得了令人瞩目的良好成绩。他还为陆埮院士组织编写的《现代天体物理》一书撰写了“银河系结构与动力学”等章节。他发表的多篇第一作者或通讯作者论文已经被国际天文学权威教科书《星系动力学》《星系的形成与演化》及剑桥大学Gilmore教授主编、Springer科学出版社出版的最新国际天文百科全书“Planets, Stars and Stellar Systems”等著作多次引述。

这些科研成果也让沈俊太逐步跻身于天文学国际专家行列。

探秘银河动力学

多年来，银河系的演化一直是天文学研究的热点领域。银河系是一个巨大的旋涡星系，学界通常认为它由星系盘、中心核球以及暗物质晕组成。近年来，沈俊太团队对银河系的核球结构做出了崭新的全面认识，提出了银河系核球是个“伪核球”，并不包含一个显著的经典核球。

2010年，沈俊太基于高精度多体模拟研究了银河系核球的动力学结构，发现一个棒旋星系模型与核球的众多观测数据吻合得极好，这表明银河系核球其实就是侧面看到的棒；它主要是由原初的星系盘通过自身动力学不稳定性增厚而产生的“伪核球”。所谓“伪”，是相对于经典核球而言——经典的星系形成理论预言核球应该是在星系并合过后产生的。

目前的星系形成理论认为，像银河系这样大质量的棒旋星系的形成，必须经过若干次星系并合的过程，而星系并合不可避免地会在星系中心形成显著的经典核球。所以根据沈俊太的这项研究，现有的星系形成模型必须在星系尺度上有大的改进以解释众多类似银河系的大质量纯盘星系，这也是目前研究星系形成和演化的一个尚未解决的重要难题，而沈俊太领导的该研究无疑为解决此难题开辟了新的窗口和思路。

沈俊太团队的研究很快引起了国际天文学界诸多国外专家的高度关注，美国国家光学天文台的网站首页报道了沈俊太参与完成的银河系核球区恒星巡天工作及他主导的动力学模型工作。而沈俊太的这项研究并没有止步。在他的指导下，上海天文台博士后李兆聿在银河系结构研究中也取得了新的进展：在分析沈俊太给出的银河系高精度模型的基础上，他们发现银河系核球区存在一个奇特的垂向X型结构，并对其做出了令人信服的动力学解释。他们对银河系核球模型进行了更仔细的分析，发现模型中也存在一个显著的X型结构，其与银河系的观测数据符合得很好。这一重要发现使利用数值模拟来“观测”盒状核球的形成过程成为可能。

紧接着，星系动力学团组进一步探究了核球的X型结构。他们验证了带有X型结构的盒状核球确实有规可循——源于棒结构中的恒星运动，指出先前理论工作推测的“香蕉型”轨道家族可能并非X型结构的主要组成部分，并提出了可供未来的银河系巡天观测验证的理论预言。此外，他们还发现恒星视向速度与银经方向的自行也存在明显的相关性。

上海天文台星系动力学团组的核球系列论文在短短几年内已被国际同行引用两百余次，并且被众多权威综述论文以及剑桥大学主编的国际参考书收入并配发原图。与此同时，沈俊太的工作得到了国内外同行的极大关注，他多次受邀在知名国际会议上阐述自己的研究成果，例如国际天文学联合会会议的特邀综述报告，第五届东亚数值天体物理会议的一小时特邀讲座，纪念林家翘先生创立密度波理论五十周年的国际研讨会的邀请报告等，他也是国际专业会议“盘星系动力学”的两个共同主席之一，并担任国际天文联合学会会议“Galaxy evolution through secular processes”的科学委员会成员。鉴于沈俊太取得的这些突出学术成绩，他还应邀成为了美国自然科学基金委的会议评审专家，负责评审星系结构领域的申请书，并且在2016年获得英国皇家学会的牛顿高级学者基金资助。

揭秘双棒星系

沈俊太关于银河动力学的研究无疑是他近年来重要的学术成果，并让他蜚声国际。而在其他研究方向上，他也丝毫没有减慢脚步，同样取得了令人瞩目的成果。

“我们生活在银河系之中，曾经我们以为银河系是一个普通的旋涡星系，现在已知道它原来是一个棒旋星系。”沈俊太娓娓道来。其实，大部分旋涡星系都像银河系一样，因为星系盘自身的不稳定性而在星系中心形成由大量恒星聚集而成的“棒”状结构，这一类星系被称为“棒旋星系”。其中，还有一个子类的棒旋星系很特殊，它们包含两个棒，小棒嵌在大棒中，因其“二”而被称为双棒星系。

特殊不意味着它们很罕见，其实光学和红外的观测发现双棒星系相对比较常见——约四分之一的早型棒旋星系是双棒星系。由于通常这两个星系棒的转动速度和尺度都不相同，它们之间也进行相互作用，因此此类星系有诸多非常奇特的动力学特性。

然而，天文界对此类特殊棒旋星系的形成条件和过程一直没有定论。此前一些理论认为，大量气体的存在是形成中心小棒并同主棒解耦的必要条件。沈俊太与英国中央兰开夏大学教授Debattista共同指导中国科学院上海天文台博士研究生杜敏，在双棒星系的形成与演化理论研究中取得了新进展。他们通过不含气体的多体数值模拟方法研究棒旋星系的形成和演化，并通过系统探索参数空间，发现在纯盘星系中心加入以有序运动为主导的动力学冷盘可以成功产生这种奇特的双棒结构。“当小棒与大棒平行时，小棒的强度比较弱但转动更快些，而当二者垂直时，小棒的强度比较强但转动比较慢。”沈俊太讲述着双棒星系在形成后呈现出的有趣的动力学特性。

目前该工作已经于近期发表在国际核心期刊《天体物理杂志》上，并且已经得到国际同行的关注。

阐明核环形成机制

在棒旋星系的长期演化过程中，“棒”扮演了很重要的角色。其中最主要的一个方面就是星系棒可以驱动气体内流至星系中心区域，从而形成新的恒星。因而棒被认为可以重新分布星系的物质、角动量及能量。

在棒旋星系中，科学家经常可以观测到很多由棒产生的气体子结构，例如在棒旋转方向的前侧会出现高密度尘埃带，以及在星系中心附近具有很强恒星形成率的核环。显然这些结构的特征和产生条件与寄主星系特别是星系棒的性质息息相关，但学术界此前对核环的形成条件、形状、及大小等重要问题都没有进行系统地解决。

沈俊太说：“之前的研究通常认为核环的位置接近于星系的某一特定半径——内林德布拉德共振（ILR）半径，或在两个ILR半径之间，然而这些共振半径严格来讲仅在星系棒扰动较弱时才有意义。”

上海天文台博士研究生李智在沈俊太与韩国首尔国立大学金雄泰教授的指导下，对棒旋星系中的核环进行了系统细致的数值模拟研究。他们利用高精度流体数值模拟，通过系统探索参数空间，发现模拟中的棒旋星系可以产生两种核环，一种近似圆形并在棒的短轴方向轻微拉伸，另一种具有很高的椭率并和棒的主轴方向平行。

此外，他们还对核环的形成机制提供了新的解释：由于核环是由气体损失角动量（旋转的能力）而落入星系中心堆积而成的，所以核环的位置取决于气体的总角动量损失，以及星系中心的势场分布。前者受星系中非轴对称结构的特性控制，如棒的强度、轴比和转动速度；而后者取决于星系中心轴对称结构，如核球的大小，质量分布。

“共振半径解释仅仅提供了一个核环形成的宽泛范围，而我们的核环形成机制则可以更准确地预言核环的大小及形状，因此适用面更广，可以广泛应用于具有核环的棒旋星系样本中限制星系的物理参数，从而使我们更好地理解棒旋星系的演化规律。”沈俊太总结道。目前该工作已经发表在国际核心期刊《天体物理杂志》上。

桃李满天下

沈俊太在忘我工作的同时并没有忘记培养新人的重任，他不仅是一个对事业孜孜不倦的学者、一个精益求精的科学家，更是一名诲人不倦的师长。

本着报效祖国的初衷，沈俊太认为应该把自己毕生所学传授给自己的学生。他甘当人梯，致力于让自己的学生也能够逐渐成长为比自己更加优秀的科学工作者。自2009年回国并担任博士生导师以来，沈俊太就开始积极招收对科学研究兴趣浓厚的学生和博士后，一支强有力的科研团队也逐渐发展壮大。

在对学生的培养过程中，沈俊太积极吸取国外著名大学的经验，并结合自身体会，组织了一系列有利于提高学生科研素质和科研能力的活动。“要学会泛读和精读文献；积极关注领域内的最新成果；掌握做报告的重要技巧；要学会向别人展示自己的工作，加强学术交流。”沈俊太强调，为人师长不仅要教授学生科学知识，更重要的是培养他们对待科研的严谨态度和治学精神。他还为多名博士生创造了赴发达国家学习交流的机会，帮助学生们逐渐开阔国际视野。目前他组里的3名博士后均自欧美名校毕业，其中Simion博士2016年刚刚从英国剑桥大学天文系毕业。沈俊太的研究不断吸引优秀人才加入其团队，这也让研究团队的实力进一步得到提升，他的团组也荣获2015年上海市科技系统青年五四集体奖章。

和想象中不同，天文工作其实是极其枯燥的，科研工作者每天面对的是电脑中大量的数据和繁琐的计算。然而，沈俊太却似乎总能尽情地“享受”其中。生活中的他幽默风趣，喜欢自嘲。他着迷《辛普森一家》中在核电厂工作的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”。除了自身过硬的专业能力，也正是他的这种独特性格使自己在神秘而又繁杂的天文工作中游刃有余。