比起天文學(xué)家要研究的時(shí)間和空間尺度，一個(gè)世紀以及小小的地球，不論怎樣都渺小之極，然而人類(lèi)就是用了不到百年的時(shí)間，了解到大爆炸、宇宙的加速膨脹、星星從形成到死亡的過(guò)程……那些自古以來(lái)人們就有的，看上去遙不可及的問(wèn)題——宇宙有多大，從哪來(lái)，到哪去，星系的形成和演化，正在被天文學(xué)家們當作實(shí)實(shí)在在的課題研究著(zhù)；“詩(shī)與遠方”就在當下，不需要去刻意尋找——郝蕾，作為一位好奇的觀(guān)星者，她有無(wú)數的故事，準備送給同樣好奇的你。
我是郝蕾，來(lái)自上海天文臺。很高興今天能來(lái)到這里和大家分享我的科研心得。
這次活動(dòng)的主題是“科學(xué)的詩(shī)和遠方”，對我而言，天文科研和“詩(shī)”、“遠方”的確有相通的地方，它們都給我們帶來(lái)一種清澈、遼遠的感覺(jué)，同時(shí)它們關(guān)注的都是生活的本質(zhì)，它們所探索的都是事物的“真”、“善”、“美”，也都能給人們在這種探索中帶來(lái)一些心動(dòng)、激情、熱情、安靜、平和與動(dòng)力。
有人經(jīng)常問(wèn)我，學(xué)天文有什么用？
天文確實(shí)跟我們日常的柴米油鹽相距甚遠，但這個(gè)問(wèn)題其實(shí)和我們?yōu)槭裁搓P(guān)注“詩(shī)和遠方”在本質(zhì)上是一樣的。
我最開(kāi)始踏上科研道路的時(shí)候就被宇宙的可讀性給打動(dòng)了。我們人類(lèi)那么渺小，但我們可以“量”出銀河系的大小，“稱(chēng)”出它有多大的質(zhì)量；我們每個(gè)人壽命最多也就是百十年，但我們可以知道這個(gè)宇宙大約有100多億年的年紀。
我們解讀宇宙的語(yǔ)言，其實(shí)就是解讀物理規律，有了這些規律人就變得特別強大，就可以在浩瀚的宇宙中漫步，就可以信手拈來(lái)都是故事。
比如說(shuō)我常常用到的一個(gè)科研工具，光譜，光的亮度在不同波長(cháng)上的分布，它就是一個(gè)很強大的、可以解讀宇宙的一個(gè)工具。
舉一個(gè)例子，這里有一個(gè)看上去和普通恒星一樣的天體，但當天文學(xué)家拍到它的光譜的時(shí)候，他們發(fā)現，它有一組奇怪的發(fā)射線(xiàn)。
一般發(fā)射線(xiàn)是由物質(zhì)在特定的波長(cháng)處發(fā)射的?？墒沁@些線(xiàn)對應的波長(cháng)用我們知道的物質(zhì)都很難解釋。除非把它們看成是被紅移了1.16倍的氫原子發(fā)射線(xiàn)，就可以同時(shí)把這一組線(xiàn)都解釋地很完美。
物理學(xué)里的多普勒效應告訴我們，這樣的紅移意味著(zhù)這個(gè)天體在飛速離我們遠去，而這樣的退行速度按照哈勃定律就告訴我們它其實(shí)離我們很遠，有26億光年，所以它并不是銀河系里的一個(gè)普通恒星。它那么遠，又看上去挺亮，說(shuō)明它本身的光度很大，是整個(gè)銀河系的100倍，那時(shí)候大家還沒(méi)有見(jiàn)到過(guò)光度這么高的天體。
故事的另外一個(gè)部分是，這顆天體的光隨著(zhù)時(shí)間的變化很快，這樣的快速光變意味著(zhù)光來(lái)自一個(gè)非常小的區域。
為什么呢？想象太陽(yáng)有一天突然在一瞬間滅掉了，我們會(huì )看到什么？
從第八分鐘開(kāi)始，我們會(huì )發(fā)現太陽(yáng)的中心開(kāi)始黑了，有一個(gè)黑點(diǎn)，這個(gè)黑色的圓迅速膨脹，在兩秒鐘內整個(gè)太陽(yáng)就變黑了。這個(gè)兩秒的延遲實(shí)際上是因為太陽(yáng)的中心和邊緣到我們的距離差了2個(gè)光秒的樣子，這是由太陽(yáng)的大小決定的，假如太陽(yáng)的尺度越大，延遲的時(shí)間就會(huì )越長(cháng)。所以說(shuō)，我們根據一個(gè)天體它光變化的時(shí)間就可以判斷發(fā)出這些光物體的尺寸。
放在這顆天體上，我們根據它的光隨時(shí)間變化的快慢，可以分析出它發(fā)光的區域，基本上只有一個(gè)太陽(yáng)系的大小。
這樣一個(gè)發(fā)光體，只有太陽(yáng)系的大小，但能發(fā)出超過(guò)整個(gè)銀行系100倍的光強，通過(guò)計算，這樣巨大的能量只能是超大質(zhì)量黑洞，這些光是大量的物質(zhì)掉入超大質(zhì)量黑洞的過(guò)程中所發(fā)出來(lái)的光。
回過(guò)頭來(lái)看，我們發(fā)現這個(gè)黑洞的存在其實(shí)就用了兩個(gè)關(guān)鍵的工具，一個(gè)是光譜，是光強隨著(zhù)波長(cháng)的變化；一個(gè)就是光變，就是光強隨著(zhù)時(shí)間的變化。很多天文研究就是這么做出來(lái)的。
這樣的類(lèi)星體是種種星系中的一種。
我對星系的研究情有獨鐘，因為我覺(jué)得星系很豐富：不同星系形態(tài)各異，顏色也各異，每一個(gè)都可以看做一個(gè)生態(tài)系統，里邊有恒星有氣體，都在不斷運動(dòng)和相互交換中。
我們銀河系就是其中這么一個(gè)普通的星系，它也是很豐富的，它有一個(gè)基本的結構，看上去像一個(gè)盤(pán)狀，盤(pán)上有懸臂，有亮的地方和黑暗的地方，亮的地方是像太陽(yáng)這樣的恒星發(fā)光導致的，那么這些黑黑暗暗的地方，它們是我最喜歡的東西——塵埃，準確地說(shuō)是富含塵埃的氣體云。
銀河系里面這種富含塵埃的氣體云特別多，下面我給大家放大來(lái)看一個(gè)。
這是銀河系正向看過(guò)去大概的樣子，太陽(yáng)在稍微靠下的地方，我把下面的一塊放大來(lái)看，再取其中一小塊兒放大，這小小一塊里面蘊含了很多的恒星和氣體。再取右上角這么一小塊把它放大來(lái)看，已經(jīng)可以看到一些隱約的氣體云的結構了。其中的一個(gè)叫冰激淋筒的星云，非常漂亮。
銀河系里面這樣的氣體云很多，它們形態(tài)各異，非常美麗，它們有一個(gè)共同點(diǎn)，就是都有很多塵埃，看上去好像都是背景有光，想透透不過(guò)來(lái)的這種感覺(jué)。
說(shuō)起塵埃，大家都不是很待見(jiàn)，因為在地球上霧霾也好，沙塵暴也好，都是和它相關(guān)的，甚至想把它從我們日常生活中趕走。其實(shí)天文學(xué)家一開(kāi)始也是不喜歡塵埃的，因為這個(gè)塵埃的存在導致我們想看一些東西的時(shí)候，視線(xiàn)會(huì )被這個(gè)塵埃擋住，看不清東西，比如說(shuō)銀河系的中心，我們只能看到中心是亮亮的，但是不知道里面到底怎么回事，所以大家一開(kāi)始都是比較討厭它的。但是實(shí)際上塵埃是很重要的，它的重要性體現在幾個(gè)方面。
塵埃能幫助氣體云里面富含的原子氫結合成分子氫，并吸收多余的能量；同時(shí)塵埃顆粒還能夠幫助擋住那些剛形成的恒星發(fā)出來(lái)的惡劣的輻射，降低整個(gè)氣體云的溫度，保持他們在一個(gè)較低的溫度。這樣的溫度比較低的氣體分子云，才有可能慢慢地聚集，最終塌縮成恒星及其行星。我們的太陽(yáng)系也好，組成地球的巖石、土地也好，基本上都是因為星際塵埃的存在而慢慢形成的。
有的星際塵埃的顆粒是比較小的，有點(diǎn)像燃燒的蠟燭火苗上面冒出的青煙，還有一些更小的這種塵埃，可能只由幾個(gè)或者幾十個(gè)分子組成。這樣小顆粒的塵埃，實(shí)際上在地球上也是常見(jiàn)的，比如烤焦的肉、汽車(chē)的尾氣，或者我們痛恨的霧霾里面，都有這樣子的小顆粒的塵埃。
我和塵埃結緣開(kāi)始于2003年。那一年有一個(gè)重要的紅外太空望遠鏡Spitzer上天，而我也是在那一年加入這個(gè)望遠鏡的一個(gè)儀器組。Spitzer可以用紅外輻射來(lái)直接看到塵埃發(fā)出的輻射光譜，也是第一個(gè)能以超高的靈敏度觀(guān)測星系發(fā)出的塵埃輻射的設備。正好我當時(shí)研究的一類(lèi)星系，在塵埃輻射方面有一個(gè)長(cháng)久的困惑。
像剛才我們提到了類(lèi)星體這樣依靠超大質(zhì)量黑洞活躍吸積而發(fā)出巨大能量的星系，其實(shí)有很多種，有的有很強的射電輻射，有的沒(méi)有；有的有較寬的發(fā)射線(xiàn)，有的則較窄。我們后來(lái)統一把它們稱(chēng)作“活動(dòng)星系核”。
為什么統一這樣叫呢？是因為業(yè)界有一個(gè)非常流行的理論，認為不同的活動(dòng)星系核它本質(zhì)上都是一樣的，都是在中心有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，黑洞旁邊有很多的氣體掉落。不同的活動(dòng)星系核看上去不同，是因為我們觀(guān)察的角度略有不同。
理論要求除了黑洞和外面的吸收盤(pán)之外，還得有一個(gè)比較大的富含塵埃的氣體云，這個(gè)氣體云不是全角都覆蓋的，而是像一個(gè)面包圈一樣的形態(tài)。這樣，當我們從側向看向中心的時(shí)候，視線(xiàn)就會(huì )被這個(gè)面包圈氣體云里的塵埃擋住，看不到最中心發(fā)出來(lái)的輻射特征；而如果這個(gè)星系中心正好面向我們，我們的視線(xiàn)就可以看到中心的超大質(zhì)量黑洞和吸積盤(pán)，就可以呈現和剛才側向看過(guò)去的活動(dòng)星系核不同的觀(guān)測特征。
這樣的塵埃環(huán)的結構太小了，只有幾十個(gè)光年那么大，即使在離我們最近的活動(dòng)星系核里面也很難看到它。
在過(guò)去幾十年的過(guò)程中，這個(gè)理論在很多波段的觀(guān)測中都得到了間接證實(shí)，但是在塵埃輻射方面一直有困難，我們在之前一直都沒(méi)有看到過(guò)這種塵埃的發(fā)射線(xiàn)。
Spitzer望遠鏡上天不久，我們收集到了一些非常優(yōu)質(zhì)的數據。那個(gè)時(shí)候因為衛星剛剛上天，我們儀器組每天都要開(kāi)電話(huà)會(huì )議，大家聚在一起討論儀器運行的狀態(tài)，以及一些測試的結果。參與討論的人很多，有來(lái)自各個(gè)不同領(lǐng)域的，做不同方向的研究。其中有一天有一個(gè)做恒星的同事提到了塵埃的硅酸鹽發(fā)射線(xiàn)。
那時(shí)我剛剛進(jìn)入紅外觀(guān)測領(lǐng)域不太久，有點(diǎn)懵懵的感覺(jué)，但是他的提醒讓我想起了兩年之前讀博士時(shí)聽(tīng)過(guò)的一個(gè)報告，報告提到了活動(dòng)星系核“統一理論”面臨的一個(gè)困難就是還沒(méi)有觀(guān)測到塵埃的硅酸鹽發(fā)射線(xiàn)。
將這兩件事聯(lián)系起來(lái)之后，我就開(kāi)始尋找這個(gè)發(fā)射譜線(xiàn)，而且Spitzer望遠鏡的靈敏度比以往的紅外探測器高很多，我很快找到了一批，從此開(kāi)始了一個(gè)新的研究方向。
其實(shí)我博士時(shí)聽(tīng)到的報告無(wú)數，大多都沒(méi)有什么印象。但可能這些被我遺忘的報告有些關(guān)鍵點(diǎn)還是會(huì )留在記憶的某處，在某個(gè)特別的時(shí)候被激發(fā)出來(lái)。所以我現在常常勸我的學(xué)生，你們一定要去多聽(tīng)報告，多看文獻，即使和你當時(shí)正在做的事情沒(méi)有太大的關(guān)系。因為，也許在未來(lái)，你曾經(jīng)聽(tīng)到的，看到的，可以為你打開(kāi)一個(gè)新的天地。
好的天文發(fā)現，需要強大的望遠鏡，或者強大的觀(guān)測設備，而這些設備的設計和建造都是需要高端的工程師和望遠鏡專(zhuān)家來(lái)完成，這給天文學(xué)帶來(lái)了一些和其他學(xué)科不一樣的色彩。我們在探索宇宙進(jìn)行科學(xué)研究之外，還需要面臨怎么和工程師交流的問(wèn)題。
工程師和科學(xué)家之間說(shuō)著(zhù)不太相同的語(yǔ)言，比如科學(xué)家會(huì )說(shuō)我希望這個(gè)設備能夠覆蓋天上多么角秒的視場(chǎng)，但是對于工程師來(lái)講，這個(gè)要求到底意味著(zhù)某個(gè)器件需要多少毫米。所以天文學(xué)家，特別是觀(guān)測天文學(xué)家需要具有一定的工程概念。
這給我的天文科研帶來(lái)了很多挑戰，因為很多東西我整個(gè)上學(xué)期間不僅沒(méi)學(xué)過(guò)，有的連聽(tīng)都沒(méi)聽(tīng)過(guò)。但這也是讓我對天文科研越來(lái)越著(zhù)迷的地方，因為它常常迫使我學(xué)習新的東西，也常常讓我能夠體會(huì )到“今天又知道多一點(diǎn)”的這種快樂(lè )，眼界也越來(lái)越開(kāi)闊，看到的風(fēng)景也越來(lái)越壯觀(guān)，越來(lái)越美麗。
當然現在的困難還是很多的：我們很缺能夠在科學(xué)家和工程師之間起橋梁作用的人才，我們很缺現代天文大項目的管理經(jīng)驗。還有一些基本的器件性的工程水平，例如紅外探測器水平還差得很遠，希望大家廣泛關(guān)注。
總的來(lái)說(shuō)，天文科研這一路走來(lái)，對我而言其實(shí)都是風(fēng)景。我很慶幸能夠選擇天文科學(xué)作為我的職業(yè)，讓我不需要去尋找，就可以每天和科研的詩(shī)與遠方相伴。
今天感謝大家聽(tīng)我的演講，聽(tīng)我聊一聊我自己的心得和體會(huì )。謝謝大家。
提問(wèn)：宇宙的膨脹最終會(huì )停止嗎？
郝蕾：根據現在對宇宙的理解，我們覺(jué)得它不會(huì )停止膨脹，不僅不會(huì )停止，而且可能會(huì )一直加速膨脹下去。這就意味著(zhù)我們宇宙中的天體會(huì )慢慢遠離我們而去，地球會(huì )越來(lái)越孤立，我們看到的天、星空會(huì )越來(lái)越暗。
提問(wèn)：你小時(shí)候學(xué)習成績(jì)好嗎？
郝蕾：說(shuō)實(shí)話(huà)我小時(shí)候學(xué)習成績(jì)不好，不過(guò)我覺(jué)得成績(jì)好與不好其實(shí)并不重要，重要的是學(xué)習的時(shí)候是不是用心、是不是努力。我小的時(shí)候學(xué)習是很努力的，現在回想起來(lái)，這種努力帶給我很多好處，其中可能是最重要的一點(diǎn)就是它讓我在這種努力中慢慢體會(huì )到了學(xué)習的樂(lè )趣——有一些東西，我原來(lái)不會(huì )的，通過(guò)克服困難慢慢學(xué)會(huì )了，我體會(huì )到這種快樂(lè )。這樣的快樂(lè )以及它帶給我的動(dòng)力，至今都讓我受益。
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