我被派来巡天,其实就是给星星和星系做人口普查 | 范舟

  “现在的仙女座星系到底是什么样子,必须要 250 万年之后我们才能看到。它是什么时候形成的?怎么形成的?如何演化的?将来会变成什么样?”

  范舟 中国科学院国家天文台青年研究员

  一、从望远镜到天文巡天

  大家好,我是来自国家天文台的范舟,很高兴跟大家分享我给星星和星系做人口普查的过程。

  提到天文,大家可能首先想到的就是星空。星空非常美丽,有时候你一直看着星空,心中会涌现一种莫名的感动,感觉人类特别渺小。

  这张图片拍摄的是国家天文台兴隆观测基地的夜景,非常漂亮,大家有机会可以前去参观。

  在仰望星空的时候,很多人都会思考,天上的星星到底有多大?宇宙里面到底有多少颗星星?宇宙有没有边界?如果有边界,宇宙外面又是什么呢?

  远古时代,人类就一直仰望星空,思考各种和星空有关的问题。不过长期以来,人类一直都是用肉眼观测星空,而由于肉眼视能力的局限性,人们很难观测到特别暗、特别远的天体。

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伽利略一小步人类的一大步

  直到 400 多年前,伽利略第一次把望远镜指向星空,看到了人类肉眼无法看到的东西,比如月球上的环形山和山谷;太阳不但有黑子,它还在自转;金星和月亮一样,也有阴晴圆缺;木星不仅仅是一个光斑,它周围还有四颗卫星,后来被命名为伽利略卫星。

  这是一个里程碑式的事件,从此之后,人类开始使用各种工具探索宇宙,并且进入了一个制造望远镜的竞赛时代,因为制造出更大口径的望远镜,意味着可以看到更远的宇宙,更暗弱的天体。

  18 世纪末德国有一位著名的天文学家,叫威廉·赫歇尔,他是制造望远镜方面的专家,一生建造了上百架天文望远镜。

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赫歇尔建造的 1.2 米望远镜

  这张图片中的望远镜就是他研制的 1.2 米口径望远镜。这个望远镜非常大,和图中房子一比就更明显了。

  虽然它非常笨重,操作起来也不方便,但由于口径够大,所以借助它威廉·赫歇尔看到了很多之前无法看到的星体,如天王星以及天王星的卫星。

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1917 年建成的 2.5 米胡克望远镜

  后来,随着科技的进步,人类制造出了更大的望远镜。比如这张图中的胡克望远镜,它是一个名叫胡克的富商于 1917 年资助建造的,口径为 2.5 米。

  关于这个望远镜还有非常一个有趣的故事。这张照片中正在使用望远镜的人是爱因斯坦,他身后叼着烟斗的是哈勃。大家知道,爱因斯坦提出了广义相对论,建立了宇宙模型。

  但他刚把宇宙模型建起来,就非常惊讶地发现,宇宙居然是在膨胀的。爱因斯坦自己也吓了一跳,他觉得不可能,如果宇宙在膨胀,人们该有多不安啊!于是他在宇宙学状态方程中加入了一个常数,用以保持宇宙的恒定不变。

  后来,哈勃用胡克望远镜观测到了很多星系,发现几乎所有星系都在远离我们,所以得出“宇宙在膨胀”的结论。至此,爱因斯坦感到非常懊悔,他觉得自己加入宇宙常数的做法是一个很大的错误,以至于后来他觉得这是他人生当中最大的错误。

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1948 年建成的 5 米海尔望远镜

  之后还有很多新的望远镜诞生。这个 5 米口径的海尔望远镜建成于 1948 年,此后的 40 多年时间里,它一直是全世界像质最好、口径最大的望远镜。

  虽然 20 世纪 70 年代,苏联曾造过一个 6 米口径的望远镜(BTA),但那个望远镜在设计和建造过程中有一些缺陷,效果并不是很好,影响力也不是很大。海尔望远镜的记录一直保持到 1993 年凯克望远镜的出现。

  科技的进步让望远镜越做越大,甚至出现了像哈勃望远镜这类的空间望远镜。但是这些望远镜早期都局限于观测单一的天体。想对星系整体或恒星整体进行全面的统计性的了解,用这种观测模式显然不行。于是就产生了另一种方式的观测模式——天文巡天。

  二、国外天文巡天

  天文巡天就是对天空进行大范围的观测,甚至进行全天的观测,这有点儿像人口普查。

  比如,我想研究北京回龙观地区居民的职业情况,如果我只是对周围做 IT 行业的几位朋友进行调查,我就很容易得出“回龙观地区从事 IT 行业的人很多”这样的错误结论,因为我选择的样本不够大,调查的范围不够广。

  只有观测的范围足够广,调查的数据足够多,才能得到相对全面且正确的结论。

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梅西耶星云星团表

  实际上,200 多年前的人们也做了一些类似巡天之类的工作,法国天文学家梅西耶就根据观测做出了梅西耶星云星团表。表中包含了 110 个天体,比如 M31 仙女座星系,在梅西耶星表里就排第 31 位。

  M1 是什么?它是蟹状星云,是一个超新星遗迹,它的发现也有中国人的一份功劳,因为中国史书上有关于 1054 年出现超新星事件的观测记录。通过对蟹状星云的观测结果,人们最终推算出来,M1 应该是在中国宋朝的时候爆发的,所以和历史记载很好的吻合。

  前一段时间人类首次拍摄到的黑洞照片拍摄的就是 M87 星系。这个星系从图上看似乎比较小,实际是一个非常巨大的椭圆星系,中心有一个 60 亿倍太阳质量的超大质量黑洞。

  直到现在,梅西耶星表到也非常流行,每年 3 月底全世界都会举行梅西耶马拉松——北半球的天文爱好者会拿着小型望远镜对星空中的梅西耶天体进行观测,一晚上把梅西耶星表里面所有星云、星团和星系都观测一遍。

  这个活动对天文爱好者的要求非常高,要求他们既要有认星的能力,还要有拍照的能力,而这也能检验天文爱好者的水平高低。

  除了梅西耶星表,还有一些代表性星表,比如 NGC 星表(星云和星团新总表)。NGC 星表包含的星云、星团、星系的数量更多,有 7000 多个,星表里一一记录了它们对应的编号、位置、亮度、距离等信息。

  其实,如果把这些星表拿出来,你会发现,实际只是一个文字的表,记录了一些最基本的信息,并没有照片。那个有图的版本是后人根据拍出来的照片做了更形象化的补充,这样就可以和实际拍的进行比较,用起来就非常方便了。

  为什么当时这些星表只有文字呢?主要是因为当时记录成像的技术并不是那么成熟,大家拿望远镜可以看到很多天体,但要真正记录下来却很难。

  当然,有一些天文学家画画的功力比较好,可以用素描的形式将观测到的星体画出来。试想,如果那时每个观测者都有智能数码相机或智能手机,他们把相机或手机往望远镜的目镜那儿一装,就都能拍下来观测的天体了。

  一直到 1950 年左右,当拍照技术发展得比较成熟后,才有一些厂商有能力提供大批量高质量的照相底片供天文观测拍照使用。于是出现了对天文学产生深远影响的帕洛马巡天计划。

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帕洛马 48-英寸望远镜

  之前人们使用的星表其实都是文本文件,而帕洛马巡天星表却是有有大量照片(图像)组成的。帕洛马巡天由美国国家地理协会和帕洛马天文台联合开展,对北半球天空进行全天巡天观测。

  每次拍一张照片,最后把所有拍出来的照片合并成一张非常大的照片。大家想查某个天体,只用翻看这个有图像的星表,就能看到它的位置、形状和大小,甚至它周围有没有别的星体都能看得非常清楚。因此帕洛马巡天在天文巡天观测上可谓一个巨大的飞跃。

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1970 年开始  英澳天文台 UK Schmidt 望远镜

  20 世纪 70 年代,为了获得南半球的天体资料,人们利用澳大利亚英澳天文台的 UK Schmidt 望远镜对南半球做了巡天,后来将南、北半球的观测数据进行结合,形成了一个巨大的数据库。

  随着电子化技术的提升,人们又把这些照片的底片进行了数字化操作以供人们从网上下载使用。所以通过一些网站,现在的人们能很方便地搜到相关天体的详细图像资料。

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  这张图片是帕洛马巡天的一个截图,它看起来和现在大家平时拍的照片差别比较大,它不但是黑白的,而且还非常模糊,还有很多噪声。不过限于当时的技术,它已经是一个巨大的飞跃了,它为后来很多的巡天计划,比如斯隆数字化巡天 SDSS 等,都提供了很好的数据基础。

  三、中国的巡天工作

  刚才说了很多国外的巡天,中国的巡天工作是怎么发展起来的呢?

  中科院院士、国家天文台研究员陈建生老师曾在 20 世纪七八十年代前往澳大利亚国家天文台访问,当时帕洛马巡天在国际上非常火爆,影响力非常大,他也深受启发。

  回国后,陈院士利用国家天文台兴隆观测基地的一个 60 公分口径的施密特望远镜,装配上不同颜色的滤光片对天空进行大视场巡天。

  之所以用不同颜色的滤光片,是因为它们透过的光的波长是不一样的,通过观察不同波长的天体的能量,就能得到一个能谱,然后对其进行物理分析。

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BATC 巡天:中国早期的大视场多色巡天

  当时的巡天还配备了一个 CCD(电荷耦合器件)相机,今天手机里也有类似运用,摄像头的前面是用于光学成像的镜片,后面是一个记录成像的仪器,手机一般用 CMOS(互补金属氧化物半导体),CCD 性能更高级一些。

  专业天文观测的常用的 CCD/CMOS 相机不仅可以用来记录,拍出来的信息还能直接数字化,直接存到电脑里,非常方便。

  这个巡天概念是 20 世纪 90 年代提出并开展起来的,可谓非常超前和新颖,一经提出,就受到很多研究机构的积极响应,比如亚利桑那、台湾、康尼狄格的高校和研究所,所以当时这个巡天也叫“北京-亚利桑那-台湾-康涅狄格巡天”(简称 BATC 巡天)。

  其中的小行星巡天非常有意思,它相当于对小行星进行人口普查。做小行星巡天也需要一个比较大的视场,当时大家用的都是口径较小的望远镜。

  从 1995 年开始,7 年的时间里面,这个巡天就总共观测得到了 2707 颗有暂定编号的小行星,而且都是新的小行星,之前别人并没有发现的。其中 500 多颗小行星拥有永久命名权。

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  从列举的这些小行星命名中,大家可以看到,有些是科学家的名字,有些是作家的名字,还有些是著名院校的名字或地名。

  为什么会用金庸的名字来命名小行星呢?这是因为以前天文学家们观测的时候非常“孤单、寂寞、冷”,经常需要轮流在深山里连续观测一两周或者更长的时间。当时也不像现在人手一部智能手机,可以刷刷朋友圈打发业余时间。

  当时观星之余,当时大家都喜欢阅读金庸小说。很多天文学家都是金庸迷,所以就申请用金庸的名字来命了一颗小行星。

  还有一颗小行星的名字叫“南仁东星”。大家都知道,南仁东老师是中国“天眼”的发起人和奠基人,还是时代楷模,鉴于他对我国大科学装置的巨大贡献,所以用他的名字命名了一颗小行星。

  再比如,国家天文台属于中国科学院,承载中国科学院重要教学任务的大学是中国科学院大学,所以我们也申请用一颗小行星命名为“国科大星”。

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  仔细看这张动图。望远镜指向的天区位置不动,对同一个天区进行不同时段连续拍摄后发现,图像最中间的地方有个亮点在移动,因为背景恒星是不会动的(在这么短的时间内),所以这个移动的亮点很有可能就是一个小行星。

  然后,我们把这个移动天体的信息发送给国际小行星中心,和数据库里已有的信息进行比较,以鉴别它是否是新的小行星。如果是,我们就是发现了一颗新的小行星,也就拥有它的命名权了。

  在巡天项目里,除了要给小行星查户口,还要给近邻的星系查户口,看看周围有多少个星系,它们长什么样子。

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巨漩涡星系——仙女座星系

  当时我个人最感兴趣的星系就是仙女座星系,也就是梅西耶星表里的 M31。它距离我们有 250 万光年,也就是说,我们现在看到的仙女座星系,其实是它 250 万年之前的样子。现在的仙女座星系是什么样子,我们必须要再等 250 万年才能看到。

  仙女座星系非常漂亮,它周围有一些尘埃和气体的环状结构,从图上还能看到两个小的矮星系 M32 和 NGC205(实际上周围有更多)。如果现在在网上搜有关星系的图片,搜到的很多都是仙女座星系。

  不过对于科学家来说,我们关注的不是它漂亮与否,而是它的起源。它是什么时候形成的?它是怎么形成的?它的演化进程是什么样的?它将来会变成什么样?

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球状星团

  大家知道,我们主要依靠化石来研究地球的起源。那对仙女座星系而言,有没有可供研究的化石呢?有,它就是球状星团。

  球状星团是几千颗到几百万颗恒星的集合体,它记录了星系早期形成时的重要信息,是一个星系形成和演化的活化石。

  不过不幸的是,我们在地球上很难看到仙女座星系中球状星团里的单颗恒星,一是因为仙女座星系离我们太远了,二是因为大气的湍流会把所有的星象都变成模糊的一团。所以,我们从地球上看仙女座星系的球状星团,其实就是一个个非常暗弱的光点。

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BATC 多色滤光片

  仅仅一个模糊的点,我们要怎么去研究它呢?看似无从下手,但科学家还是有很多办法的,比如刚才提到的多色滤光片。结合研究不同波长处的天体的能量,可以得到一个能谱。

  同时,一些做星族合成模型的理论天文学家可以通过恒星的模型计算出很多星族的模型,通过这些星族的模型,他们又可以计算出具有不同年龄和化学组成等信息的能谱。

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模型匹配

  这些理论的能谱相当于一个巨大的数据库,我们拿着观测到的数据与之进行匹配,如果匹配上了,就说明它符合某个模型的物理信息。

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  经过研究,我们最后得到了仙女座星系形成和演化的关键信息。在这之前,很多人认为仙女座星系是大坍缩形成的,或者是吸积旁边的矮星系后慢慢形成的。

  但经过研究,我们发现它的形成是这两种机制的结合,即早期大坍缩和后期吸积周围的矮星系综合作用最终形成了目前的仙女座星系。

  虽然对银河系临近的仙女系星系做了普查和研究,但实际上,近年来人们还有很多新的发现。

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仙女座星系和三角座星系近年来的新发现

  近年来的深场观测发现,仙女座星系 M31 和三角座星系 M33 之间有很强烈的相互作用,导致很多星流的产生。

  星流产生的过程非常剧烈,但更剧烈的是,通过哈勃望远镜 10 年的观测和 Gaia 卫星的高精度观测发现,45 亿年之后,仙女座星系会和银河系发生碰撞。不过这个碰撞的过程相对缓和,就像跳华尔兹一样,两者先接近,再远离,然后再彼此接近,若干回合后最终合并成一个巨椭圆星系。

  一说到碰撞,大家一定觉得非常可怕,认为两个星系相撞后,地球一定就毁灭了,其实并不是。因为星系里恒星的密度是非常低的,恒星几乎不可能发生碰撞,行星碰撞更不会发生了,所以大家不用担心地球会因为星系的撞击而毁灭。

  相反,我们要担心的是,45 亿年之后的太阳可能会变成一个红巨星,如此就会发生像电影《流浪地球》里描述的场景,炙热的太阳会极度膨胀从而吞没水星和金星,地球也会变得异常炽热。希望到那时,人类会采取一些避难的方法,比如流浪地球,或者搬到其他宜居行星上去居住。

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银河系起源的研究:“不识庐山真面目,只缘身在此山中!”

  通过宇宙中大样本的星系观测研究发现,星系之间的相互碰撞和并合是普遍存在的。研究了这么多星系,并不代表我们对自己身处的银河系的研究就十分透彻,事实上正好相反。正是因为我们身处银河系,所以才“不识庐山真面目,只缘身在此山中”。

  太阳所处的银盘区域的恒星非常密集,也非常明亮,我们的视线会被周围的恒星、尘埃所遮挡,另外银河系中心的核球也非常明亮,也会遮挡我们的视线,这些都导致我们对很多天体很难进行研究。

  但是天文学家对于困难是毫不畏惧的,相反天文学家们制造了很多望远镜来对银河系进行深入观测和研究。

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LAMOST 望远镜

  我国自主研发的郭守敬望远镜(LAMOST 大天区面积多目标光纤光谱望远镜)一次可以观测三千多个恒星的光谱,通过它的观测,我们现在已经得到 1000 多万条恒星光谱。

  通过它,我们可以知道这些恒星的物理信息,比如温度,化学组成,以及它们到底是矮星还是巨星。

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Gaia 天文卫星

  还有欧洲的盖亚 Gaia 卫星,它可以准确地进行恒星测距。当然,光有这些望远镜还不够。因为银河系里有几千亿颗恒星,而我们现在观测到的只是几千万颗恒星,相当于万分之一的采样率,这好比我们从一万个人中选一个人当代表,采样率太低,因此我们要做更大样本的巡天。

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SAGE 测光巡天使用的望远镜

  在国家天文台的发起之下,我们进行了 SAGE(恒星丰度和星系演化)测光巡天。该项目利用美国亚利桑那大学 Steward 天文台 2.3 米 Bok 望远镜、新疆天文台南山 1 米望远镜以及乌兹别克斯坦 1 米望远镜进行北天天区的多色测光观测。

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Bok 望远镜的观测室

  比如我们使用的 Bok 望远镜,它位于美国在亚利桑那州的一个高山——基特峰上,那里的大气透明度优良,大气视宁度也比较稳定。这张照片记录了我们的同事正在观测室进行观测的工作状态。

  是的,现在我们的工作并不像大家想的那样,需要站在望远镜下用眼睛去观看,而是通过计算机来控制望远镜,通过计算机来进行曝光,观测完的数据也是记录在计算机里的。所以,以前天文学家观测时非常辛苦,可能会“孤单、寂寞、冷”,但现在实际上我们并不孤单。  

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亚利桑那——沙漠中的动物和植物

  因为在亚利桑那州有很多高大的仙人掌,还有非常多的动物,比如美洲虎、响尾蛇和熊。别以为这些动物都被关在动物园里。

  一天早上起床后,我们发现宿舍的纱窗上有几个类似于熊的爪印,想起来管理人员之前告诉我们,当时山上有熊出没,因为熊有时会跑到游览中心翻找食物,所以如果人类遇到它们,还是比较危险的。

  管理人员随即赶上山给我们送来了一些驱熊的辣椒喷雾和喇叭,并对我们进行了防熊的培训,告诉我们一旦遇到熊,可以用喷雾,这些喷雾是用墨西哥的魔鬼辣椒制作而成的,非常辣,只要一喷,熊肯定就不敢过来了,幸运的是直到观测结束我们都没有遇到熊。

  现在我们的巡天已经进入了尾声,观测已经基本上结束了,还剩余一些扫尾工作。巡天结束后,用观测的数据我们可以做很多研究,比如研究恒星是怎么诞生的,第一代恒星的起源,研究白矮星(大家都知道,太阳演化到晚期会变成一颗白矮星)。我们有了巨大的恒星观测样本,就可以对银河系的结构和演化得出更多更深入的认识。

  做了这么多年的巡天工作,我想说一下我个人的感受。天文学就像一座宏伟的大厦,大家看到的只是大厦的顶端,耀眼的诺贝尔奖,比如发现引力波,比如宇宙的加速膨胀,等大科学成就。

  实际在这座大厦的底端,还有很多像我们这样最基层的观测人员。通过日积月累的长期观测,得到了大量可靠的、高质量的数据,这样才能支撑着天文学这座宏伟的大厦。所以,作为一名基层观测人员,一名巡天项目的观测人员,我感觉非常自豪。

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