——记南京大学天文和空间科学学院教授施勇

本刊记者  徐芳芳

宇宙空间内存在一种密度无限大，体积却无限小的天体，它就是神秘的“黑洞”。所有的物理定理遇到黑洞都会失效。这一神奇现象无疑引起众多天文爱好者的好奇，施勇自是其中的一位。在近20年里，他一直致力于活动星系核和恒星形成研究，并取得诸多突破性成果。他成功获得4项国际空间望远镜观测计划的支持，解决了活动星系核中尘埃环的观测认证、宿主星系的恒星形成率的测量、经典恒星形成定律在低气体密度下的重大缺陷以及化石星系恒星形成效率等关键性问题，先后在国际一流天文期刊发表高水平论文近20篇（第一作者），被国内外专家广泛引用。

赴美科研十年 活动星系核取突破

　　1980年，施勇出生在素有“鱼米之乡”之称的浙江。年少时的他禀赋凛然，高考那年金榜题名，以优异的成绩考取北京大学地球物理系。4年的青葱岁月转瞬即逝，2003年施勇远赴以观测天文最为著名的美国亚利桑那大学天文系攻读博士学位，随后他又进入美国加州理工大学红外研究中心任博士后。此行一去就是10年。在美国学习工作的10年间，施勇不仅接触到很多世界一流的观测设备，关注了世界研究前沿，更重要的学会了如何从事一项研究。

　　一直以来，施勇的主要研究方向是星系的形成和演化过程。作为现代天文学最热门的研究课题之一，此方向所涉及到的各种繁复的物理过程赋予了它极大的科学挑战性。施勇通过5年系统的博士学习及4年的博士后工作实践，在活动星系核和恒星形成两个方面均取得了具有一定国际影响力的科研成果。

　　大质量黑洞的吸积，即活动星系核，是星系形成和演化过程中一个重要的发展阶段。对活动星系核的研究，就是理解大质量黑洞的吸积过程、吸积发生时的物理以及吸积是如何影响宿主星系的。活动星系核的统一模型首先提出于上世纪80年代末。作为统一活动星系核各种观测现象的理论工具，统一模型为理解大质量黑洞的吸积过程提供了重要的理论框架。统一模型的重要假设就是在大质量黑洞周围存在着一个由气体和尘埃组成的环状结构，然而这个结构的存在一直没有被直接证明。施勇则通过研究黑洞的X射线消光强度（表征气体柱密度）和红外的消光强度（表征尘埃的柱密度），发现了两者之间存在相关性。这个结果无疑为证明大质量黑洞周围确实存在环状结构提供了强有力的观测证据；同时这个相关关系进一步表明了环状结构里的气体和尘埃的分布不是连续的，而是一片片的气体和尘埃云。该工作已受到国际同行的广泛关注，在2008年的天文和天体物理学报上有专门一整段文字介绍该工作及其所包含的物理意义。

　　随着实践的检验，活动星系核的统一模型在解释活动星系核的各种观测数据上获得了巨大的成功。然而从2000年开始，有天文学家陆续发现了几十个异常奇怪的活动星系核——它们在X射线波段没有消光，但是光学上又看不到宽发射线。因此，这些天体一度被认作是对统一模型的极大挑战。施勇在阅读相关文章时，就设想通过Spitzer望远镜观测来验证这类天体是否真的挑战统一模型。在成功申请到Spitzer望远镜观测时间后，施勇开展了细致的研究，最终他发现这些天体中的绝大部分要么是X射线波段有严重的消光但没被测量到，要么就是有很强的时变性。由此见得，这类天体其实跟统一模型理论是相符合的。论文一经发表，施勇就收到美国加州大学Aaron Barth教授的评价：“终于有人对这类天体作了系统性的认证”。

　　相较于射电宁静活动星系核，射电强活动星系核的统一模型还需要考虑喷流的电磁辐射。于是，施勇通过Spitzer望远镜的观测，较早并系统性地确立了喷流的射电亮度和尘埃环的红外亮度存在很好的相关性。这个相关关系表明喷流和尘埃环的电磁辐射能量都起源于大质量黑洞的吸积。为了进一步确立喷流的电磁辐射机制，他又利用Spitzer红外空间望远镜的高灵敏度和高空间分辨率观测了临近的FRI射电星系M87，并在喷流中的各个区域都测量到红外发射，这表明极高能电子的存在，同时要求电子在喷流内部不断地被加速。

　　在了解了大质量黑洞的吸积过程后，新的问题又随之而来，黑洞在什么样的星系里才会发生吸积？施勇试图通过系统测量宿主星系的恒星形成率和恒星质量以寻求答案。

　　测量活动星系核宿主星系的恒星形成率为理解大质量黑洞吸积的物理条件提供了重要的观测限制。这类测量也将有助于理解过去20年间天文学界最重大的发现之一，即大质量黑洞质量与星系核球质量之间的相关关系。这种关系暗示着黑洞的吸积和恒星形成是通过某种物理机制相互协调的。

　　为了理解和确定可能的潜在机制，第一步则要精确测量活动星系核里的恒星形成。然而，作为最活跃活动星系核的类星体，一直以来也都很难被测量到其恒星形成率，主要还是因为恒星形成的发射完全淹没在黑洞自身的强辐射中。在以前的研究过程中，施勇发现类星体的红外光谱中存在只有恒星形成才有的特性，即多环芳烃的辐射。于是，他利用这个特性系统地测量了临近类星体（共200个天体）中的恒星形成，最终发现类星体的恒星形成率要高于一般星系的恒星形成率。

　　基于这个结果，施勇成功拿到了Spitzer红外空间望远镜25个小时的观测时间。通过这次观测，他进一步把研究延伸到8亿年前的类星体，从而确定了类星体中恒星形成的宇宙演化。前后两篇论文的重要性就在于较早地通过大样本确立了类星体宿主星系有很高的恒星形成率，为星系理论模型提供了重要的观测限制。后来，两项工作受到国际同行的广泛引用。

随着研究的深入，施勇意识到对于黑洞吸积的研究主要集中在大质量宿主星系里，而缺乏对于低质量星系里黑洞吸积的了解。于是他利用巡天数据发现在低质量星系里也存在黑洞吸积现象，但发生的频率要远低于大质量星系，但在早期宇宙中发生的频率又有所提高。这项研究可以表明，黑洞吸积发生的概率跟星系质量和宇宙时代两者相关。

专注化石星系 国际先声夺人

　　除了活动星系核，恒星形成也是施勇的研究方向之一。恒星形成的研究是为了理解星系形成和演化过程中气体是如何塌缩形成新的恒星，换言之就是探究什么物理机制影响了恒星形成。

　　恒星形成定律用来描述恒星形成率和气体质量密度之间的相关关系，是理解恒星形成重要的经验工具，也被广泛地应用于星系演化的理论研究。众所周知，最著名的Kennicutt-Schmidt恒星形成定律通过3篇论文最终确立，但是这个定律存在着严重的缺陷，即不能解释在低气体密度条件下的恒星形成。施勇在研究星系的红外光谱时却偶然地发现了一个相关关系，随后他通过严格地研究，定义了一个新的恒星形成定律。据施勇介绍，这个新定律只要在原来基础上引入恒星质量密度，就可解决原先存在的严重缺陷。在天文和天体物理年度评论中曾有专门一句话强调这个新发现的定律是目前已知的最好定律，同时也已经被植入到著名的星系理论模型Galacticus中。

　　星系并合一度被认为是引发恒星形成最有效的机制。根据此机制推断，从8亿年前至今，宇宙的恒星形成率降低了10倍。然而对于星系并合在这个过程中起到的作用有很大的分歧。施勇利用当前Hubble空间望远镜最深曝光的数据改进了测量星系形状的方法，研究表明8亿年前的星系并合的比例被低估了近2倍。

　　在美国亚利桑那大学期间，施勇曾成功申请到Spitzer红外空间望远镜上3个观测项目。Spitzer望远镜是美国宇航局耗资8亿美元打造的大型轨道天文台计划的最后一台空间望远镜。这3个项目的观测目标是研究活动星系核的红外特性。2011年，在美国加州理工大学红外研究中心任博士后期间，施勇又成功拿到Herschel红外空间望远镜的用于研究恒星形成的观测项目。Herschel望远镜是欧洲空间局建造的大型红外空间望远镜，耗资10亿欧元的Herschel望远镜作为空间科学“基石”项目，是欧空局研制的最为复杂的航天器。先后4个项目，从最初的想法到最后项目申请书的完成都是由施勇独立完成，并且都被评为第一等优先项目。2013年，施勇结束了在美国的科研工作，以“青年千人计划”身份回到祖国，落户南京大学天文和空间科学学院。

　　基于欧洲航空局Herschel红外空间望远镜观测项目“极端贫金属星系高空间分辨率的红外图像”的观测数据，再结合其他已经公开的数据，施勇申请了国家自然科学基金面上项目“极端贫金属星系：尘埃特性和恒星形成”，以系统性研究极端贫金属星系（化石星系）的尘埃特性和恒星形成。“化石”星系是一类保留了宇宙原初星系的一些特性但又离我们比较近的天体，其邻近性使得天文观测成为可能。

　　正如考古学家探究人类的祖先，天文学家追溯天体的起源：第一代恒星是怎么形成的？在遥远的130亿年前，也就是宇宙大爆炸之后5亿年左右，荒芜贫瘠的宇宙，起源于大爆炸的“原初”气体开始坍缩形成第一代恒星，照亮了原先黑暗的宇宙。这些远古恒星是今天我们人类所生活的太阳系、银河系的源头。然而，我们对于遥远的“祖先”知之甚少，因为早期恒星离我们如此之远，它们的亮度如此之弱，以至于世界上最强大的望远镜都很难直接探测。因此，施勇另辟蹊径，想到一种新方法，“就像考古学家考古一样，我们先研究一下化石星系，从化石星系中可以得到一些线索从而还原出宇宙第一代星系是如何形成的。”正是利用这样的星系，施勇首次从观测上证实了低金属丰度气体极难形成恒星，该成果发表在国际顶级杂志《自然》上。

　　2016年3月，施勇率队赶赴西班牙，进行为期10天的观测任务。常言道“科研无坦途”，对于天文学者来说更是如此。他们先飞往德国，转机时遇上飞机晚点，凌晨才抵达西班牙，又改坐大巴抵达观测山脚下，后换坐缆车、铲雪车，就这样经过一路“折腾”，一行人才最终到达山顶。观测地海拔3000米，加上旅途劳顿，队员们都出现了严重的高原反应。他们来不及调整休息，立刻展开观测行动——采用世界上最大的毫米波望远镜，连续8天，每晚12点至次日凌晨8点，每天8小时，又恰逢冬季最寒冷的时节，条件的艰苦程度可想而知。然而，大家团结一致，不畏艰辛，最终收获了成功的观测成果。当观测信号慢慢出现时，兴奋的神情爬上了每个人的脸庞，因为这是国际上首次在化石星系中观测到分子气体，该成果发表在《自然》子刊上。

　　俗话说好事成双。不久后，施勇作为项目负责人申请到了属于世界最好望远镜之一的智力ALMA望远镜的观测时间。殊不知即使是成员国家申请通过率也不到20%，我国作为非成员国家，参与竞争就更加激烈。2016年有来自全世界的1500个申请，中标的难度可想而知。而施勇也坦言，确实不容易。尽管如此，他凭借着前沿的科研设想，加上严谨的论证，最终成功拿到了观测时间，且属最高级别。

　　如今回国4年，施勇不仅得到了项目资金支持，并与国际同行达成合作，科研工作一切都在有条不紊地进行之中，同时他也肩负起传道授业解惑的责任，竭尽全力为大家提供资源、创造环境，以使团队中的每位成员发展成为独立优秀的研究人员。未来，施勇会带领着自己这支强有力的科研团队，在神秘的宇宙中探索更多的未知。