宇宙如书，倾心阅读，无数的故事，送给同样好奇的你

我是科学家iScientist 发表于  昨天10:51

本文为2018年7月9日我是科学家第一期线下活动——“科学的诗与远方”| 郝蕾演讲实录：

比起天文学家要研究的时间和空间尺度，一个世纪以及小小的地球，不论怎样都渺小之极，然而人类就是用了不到百年的时间，了解到大爆炸、宇宙的加速膨胀、星星从形成到死亡的过程……那些自古以来人们就有的，看上去遥不可及的问题——宇宙有多大，从哪来，到哪去，星系的形成和演化，正在被天文学家们当作实实在在的课题研究着；“诗与远方”就在当下，不需要去刻意寻找——郝蕾，作为一位好奇的观星者，她有无数的故事，准备送给同样好奇的你。

我是郝蕾，来自上海天文台。很高兴今天能来到这里和大家分享我的科研心得。

这次活动的主题是“科学的诗和远方”，对我而言，天文科研和“诗”、“远方”的确有相通的地方，它们都给我们带来一种清澈、辽远的感觉，同时它们关注的都是生活的本质，它们所探索的都是事物的“真”、“善”、“美”，也都能给人们在这种探索中带来一些心动、激情、热情、安静、平和与动力。

中科院上海天文台研究员郝蕾

解读宇宙的语言是物理规律

有人经常问我，学天文有什么用？

天文确实跟我们日常的柴米油盐相距甚远，但这个问题其实和我们为什么关注“诗和远方”在本质上是一样的。

我最开始踏上科研道路的时候就被宇宙的可读性给打动了。我们人类那么渺小，但我们可以“量”出银河系的大小，“称”出它有多大的质量；我们每个人寿命最多也就是百十年，但我们可以知道这个宇宙大约有100多亿年的年纪。

我们解读宇宙的语言，其实就是解读物理规律，有了这些规律人就变得特别强大，就可以在浩瀚的宇宙中漫步，就可以信手拈来都是故事。

比如说我常常用到的一个科研工具，光谱，光的亮度在不同波长上的分布，它就是一个很强大的、可以解读宇宙的一个工具。

举一个例子，这里有一个看上去和普通恒星一样的天体，但当天文学家拍到它的光谱的时候，他们发现，它有一组奇怪的发射线。

类星体3C273

一般发射线是由物质在特定的波长处发射的。可是这些线对应的波长用我们知道的物质都很难解释。除非把它们看成是被红移了1.16倍的氢原子发射线，就可以同时把这一组线都解释地很完美。

物理学里的多普勒效应告诉我们，这样的红移意味着这个天体在飞速离我们远去，而这样的退行速度按照哈勃定律就告诉我们它其实离我们很远，有26亿光年，所以它并不是银河系里的一个普通恒星。它那么远，又看上去挺亮，说明它本身的光度很大，是整个银河系的100倍，那时候大家还没有见到过光度这么高的天体。

故事的另外一个部分是，这颗天体的光随着时间的变化很快，这样的快速光变意味着光来自一个非常小的区域。

为什么呢？想象太阳有一天突然在一瞬间灭掉了，我们会看到什么？

从第八分钟开始，我们会发现太阳的中心开始黑了，有一个黑点，这个黑色的圆迅速膨胀，在两秒钟内整个太阳就变黑了。这个两秒的延迟实际上是因为太阳的中心和边缘到我们的距离差了2个光秒的样子，这是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，我们根据一个天体它光变化的时间就可以判断发出这些光物体的尺寸。

放在这颗天体上，我们根据它的光随时间变化的快慢，可以分析出它发光的区域，基本上只有一个太阳系的大小。

这样一个发光体，只有太阳系的大小，但能发出超过整个银行系100倍的光强，通过计算，这样巨大的能量只能是超大质量黑洞，这些光是大量的物质掉入超大质量黑洞的过程中所发出来的光。

回过头来看，我们发现这个黑洞的存在其实就用了两个关键的工具，一个是光谱，是光强随着波长的变化；一个就是光变，就是光强随着时间的变化。很多天文研究就是这么做出来的。

渺小却重要的星际尘埃

这样的类星体是种种星系中的一种。

我对星系的研究情有独钟，因为我觉得星系很丰富：不同星系形态各异，颜色也各异，每一个都可以看做一个生态系统，里边有恒星有气体，都在不断运动和相互交换中。

郝蕾演讲

我们银河系就是其中这么一个普通的星系，它也是很丰富的，它有一个基本的结构，看上去像一个盘状，盘上有悬臂，有亮的地方和黑暗的地方，亮的地方是像太阳这样的恒星发光导致的，那么这些黑黑暗暗的地方，它们是我最喜欢的东西——尘埃，准确地说是富含尘埃的气体云。

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一个。

这是银河系正向看过去大概的样子，太阳在稍微靠下的地方，我把下面的一块放大来看，再取其中一小块儿放大，这小小一块里面蕴含了很多的恒星和气体。再取右上角这么一小块把它放大来看，已经可以看到一些隐约的气体云的结构了。其中的一个叫冰激淋筒的星云，非常漂亮。

银河系里面这样的气体云很多，它们形态各异，非常美丽，它们有一个共同点，就是都有很多尘埃，看上去好像都是背景有光，想透透不过来的这种感觉。

说起尘埃，大家都不是很待见，因为在地球上雾霾也好，沙尘暴也好，都是和它相关的，甚至想把它从我们日常生活中赶走。其实天文学家一开始也是不喜欢尘埃的，因为这个尘埃的存在导致我们想看一些东西的时候，视线会被这个尘埃挡住，看不清东西，比如说银河系的中心，我们只能看到中心是亮亮的，但是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。但是实际上尘埃是很重要的，它的重要性体现在几个方面。

尘埃能帮助气体云里面富含的原子氢结合成分子氢，并吸收多余的能量；同时尘埃颗粒还能够帮助挡住那些刚形成的恒星发出来的恶劣的辐射，降低整个气体云的温度，保持他们在一个较低的温度。这样的温度比较低的气体分子云，才有可能慢慢地聚集，最终塌缩成恒星及其行星。我们的太阳系也好，组成地球的岩石、土地也好，基本上都是因为星际尘埃的存在而慢慢形成的。

尘埃的重要作用

有的星际尘埃的颗粒是比较小的，有点像燃烧的蜡烛火苗上面冒出的青烟，还有一些更小的这种尘埃，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，比如烤焦的肉、汽车的尾气，或者我们痛恨的雾霾里面，都有这样子的小颗粒的尘埃。

我和尘埃结缘开始于2003年。那一年有一个重要的红外太空望远镜Spitzer上天，而我也是在那一年加入这个望远镜的一个仪器组。Spitzer可以用红外辐射来直接看到尘埃发出的辐射光谱，也是第一个能以超高的灵敏度观测星系发出的尘埃辐射的设备。正好我当时研究的一类星系，在尘埃辐射方面有一个长久的困惑。

郝蕾演讲

像刚才我们提到了类星体这样依靠超大质量黑洞活跃吸积而发出巨大能量的星系，其实有很多种，有的有很强的射电辐射，有的没有；有的有较宽的发射线，有的则较窄。我们后来统一把它们称作“活动星系核”。

为什么统一这样叫呢？是因为业界有一个非常流行的理论，认为不同的活动星系核它本质上都是一样的，都是在中心有一个超大质量黑洞，黑洞旁边有很多的气体掉落。不同的活动星系核看上去不同，是因为我们观察的角度略有不同。

理论要求除了黑洞和外面的吸收盘之外，还得有一个比较大的富含尘埃的气体云，这个气体云不是全角都覆盖的，而是像一个面包圈一样的形态。这样，当我们从侧向看向中心的时候，视线就会被这个面包圈气体云里的尘埃挡住，看不到最中心发出来的辐射特征；而如果这个星系中心正好面向我们，我们的视线就可以看到中心的超大质量黑洞和吸积盘，就可以呈现和刚才侧向看过去的活动星系核不同的观测特征。

这样的尘埃环的结构太小了，只有几十个光年那么大，即使在离我们最近的活动星系核里面也很难看到它。

在过去几十年的过程中，这个理论在很多波段的观测中都得到了间接证实，但是在尘埃辐射方面一直有困难，我们在之前一直都没有看到过这种尘埃的发射线。

Spitzer望远镜上天不久，我们收集到了一些非常优质的数据。那个时候因为卫星刚刚上天，我们仪器组每天都要开电话会议，大家聚在一起讨论仪器运行的状态，以及一些测试的结果。参与讨论的人很多，有来自各个不同领域的，做不同方向的研究。其中有一天有一个做恒星的同事提到了尘埃的硅酸盐发射线。

那时我刚刚进入红外观测领域不太久，有点懵懵的感觉，但是他的提醒让我想起了两年之前读博士时听过的一个报告，报告提到了活动星系核“统一理论”面临的一个困难就是还没有观测到尘埃的硅酸盐发射线。

将这两件事联系起来之后，我就开始寻找这个发射谱线，而且Spitzer望远镜的灵敏度比以往的红外探测器高很多，我很快找到了一批，从此开始了一个新的研究方向。

其实我博士时听到的报告无数，大多都没有什么印象。但可能这些被我遗忘的报告有些关键点还是会留在记忆的某处，在某个特别的时候被激发出来。所以我现在常常劝我的学生，你们一定要去多听报告，多看文献，即使和你当时正在做的事情没有太大的关系。因为，也许在未来，你曾经听到的，看到的，可以为你打开一个新的天地。

天文学依然有许多挑战

好的天文发现，需要强大的望远镜，或者强大的观测设备，而这些设备的设计和建造都是需要高端的工程师和望远镜专家来完成，这给天文学带来了一些和其他学科不一样的色彩。我们在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。

世界各地的望远镜和观测设备

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这个设备能够覆盖天上多么角秒的视场，但是对于工程师来讲，这个要求到底意味着某个器件需要多少毫米。所以天文学家，特别是观测天文学家需要具有一定的工程概念。

这给我的天文科研带来了很多挑战，因为很多东西我整个上学期间不仅没学过，有的连听都没听过。但这也是让我对天文科研越来越着迷的地方，因为它常常迫使我学习新的东西，也常常让我能够体会到“今天又知道多一点”的这种快乐，眼界也越来越开阔，看到的风景也越来越壮观，越来越美丽。

当然现在的困难还是很多的：我们很缺能够在科学家和工程师之间起桥梁作用的人才，我们很缺现代天文大项目的管理经验。还有一些基本的器件性的工程水平，例如红外探测器水平还差得很远，希望大家广泛关注。

总的来说，天文科研这一路走来，对我而言其实都是风景。我很庆幸能够选择天文科学作为我的职业，让我不需要去寻找，就可以每天和科研的诗与远方相伴。

今天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。  

互动问答

提问：宇宙的膨胀最终会停止吗？

郝蕾：根据现在对宇宙的理解，我们觉得它不会停止膨胀，不仅不会停止，而且可能会一直加速膨胀下去。这就意味着我们宇宙中的天体会慢慢远离我们而去，地球会越来越孤立，我们看到的天、星空会越来越暗。

提问：你小时候学习成绩好吗？

郝蕾：说实话我小时候学习成绩不好，不过我觉得成绩好与不好其实并不重要，重要的是学习的时候是不是用心、是不是努力。我小的时候学习是很努力的，现在回想起来，这种努力带给我很多好处，其中可能是最重要的一点就是它让我在这种努力中慢慢体会到了学习的乐趣——有一些东西，我原来不会的，通过克服困难慢慢学会了，我体会到这种快乐。这样的快乐以及它带给我的动力，至今都让我受益。