天文与我

中国科学院国家天文台

钱磊

大家好。今天我来一般性地讲一讲天文学，并结合天文学讲讲我的经历，主要是走过的一些弯路。

和其他人说起天文学的时候，经常被问的问题包括但不限于“你们是预报天气的么？”“你能帮忙看看运势么？”。在说天文学是什么之前，先说一下天文学不是什么，天文学不是占星术。这两个词在英文里有点像，因为有那么点关系。天文学是astronomy，占星术是astrology。但是天文学不是占星术，占星术或许可以算是某种学问，但不是科学。而天文学是科学。天文学和气象学有关系，因为很多天文观测依赖于好天气，但气象不是天文学的研究内容。天文学研究对象通常是地球大气之外的天体，使用的方法通常是观测，而非实验。这幅图是位于智利的欧洲南方天文台VLT望远镜，那个地方可以看到壮观的星空。这幅图反映了部分天文观测的状态。

虽说天文学不是占星术，但天文学里也用星座的概念。不够这里的星座主要是为了方便将天空进行分区。按照国际天文联合会（IAU）规定，全天有88个星座。很多天体的命名就基于这些星座的名称。

天文学是观测科学，和物理学、生物学这种实验科学有点不一样。物理学和生物学可以对研究对象进行操作，设置实验条件，设置对照组。而天文学不一样，我们通常无法对观测对象进行操作，难以设置对照组。天文学观测依赖的是观测，以及理论模型和观测事实的比较。

粗略地地说，天文学做的大部分事情就是观测和理解宇宙。现在的标准宇宙学模型认为，宇宙从一个奇点起源，随后经历了暴涨，尺度急剧扩张，随后开始正常膨胀，逐渐产生了各种天体。一件神奇的事情是，宇宙是非常透明的。我们可以一直看到天体形成之前的一些情况。

具体说，我们通过电磁波可以看到最远的现象就是宇宙微波背景辐射。再往前，宇宙对电磁波就不透明了。所以，我们最远能看到一个类似屏幕的东西，距离我们大约137亿光年，那个时候的宇宙年龄只有大约30万年。此时，宇宙中已经有了简单的元素，主要是氢和氦。在此之后是很长一段时间的黑暗时期，然后有了第一批恒星和第一批星系，宇宙重新变得光芒起来。再往后出现了各种各样的天体，也有了我们安生立命的地球。

微波指的是频率在300 MHz-300 GHz范围的电磁波。微波背景辐射就在这个频率范围内。微波背景辐射在大尺度是各向同性的，就是各个方向看起来差不多。不过这幅图突出了小尺度的结构。这些结构也就是后来形成各种天体的种子。

我们再往后看，可以看到一些成团的结构。这些结构是星系聚在一起形成的，叫做星系团。在星系团里，除了看到很多星系，还可以看到一些奇特的现象。一些星系被拉长了，变形了。这就是引力透镜。对引力透镜的研究可以重构出星系团中的质量分布。一个令人惊奇的结果就是，物质分布和这些可见的星系并不一致。所以，得出的结论是，星系团中有大量暗物质。

聚焦到更小的尺度，我们可以看到星系团的成员，也就是星系。这是距离我们自己所在的银河系最近的大星系，M31，也称为仙女座星系。这是一个旋涡星系。未来可能会和我们的银河系并合。还有一些星系具有活动性，例如这个椭圆星系M87。我们可以看到从中心喷出的喷流。

我们生活在银河系中。所以我们不能像M31那样看到银河系的整体面貌。我们只能基于数据，借助艺术家的笔将银河系描绘出来。银河系也是旋涡星系，可以看到漂亮的旋臂。我们可以在图中看到亮点，这些是恒星。我们的太阳仅仅是银河系千亿颗恒星中普通的一颗。恒星之间并非空无一物，而是充满了星际介质。

星系中的恒星也会成团分布，形成星团。这是一个球状星团，M13。球状星团是一种年老的星团，年龄通常有一百亿年。这是昴星团，它属于另一种星团，称为疏散星团。这种星团是由年轻恒星组成的。

恒星之间的星际介质的一种重要成分是中性的氢原子，称为中性氢。星际介质中还有主要由氢分子组成的分子云。这是恒星形成的地方。这是金牛座分子云，一个典型的小质量恒星形成区。

恒星从分子云中诞生，而恒星死去之后也会留下痕迹。其中一种就是超新星遗迹。这是大质量恒星死亡时的超新星爆发形成的。这是蟹状星云，是1054年爆发的一颗超新星的遗迹。我们之所以知道这一点是因为我国的古书中对此有记载。这是少数精确知道年龄的超新星遗迹。

超新星爆发不仅产生了超新星遗迹，还会产生中子星和黑洞。其中一部分中子星会表现为脉冲星。脉冲星是转动的中子星，当辐射束扫过我们的时候，我们就看到一个脉冲。有点像灯塔，所以脉冲星也被称为宇宙中的灯塔。

除了恒星这种长期存在的天体，宇宙中还有短时标现象。例如伽马射线暴和快速射电暴。顾名思义，伽马射线暴是在伽马射线波段看到的爆发现象。它的持续时间从0.1秒到1000秒不等。现在我们认为伽马射线暴和中心并合或者超新星爆发有关。而快速射电暴的时标更短，通常只有几毫秒。我们现在还不清楚这种射电爆发是怎么产生的。

在天文学几千年的历史中，大部分时间是在可见光波段进行观测，主要靠的是肉眼。近几百年，天文观测才开始使用望远镜。而近一百年，天文观测技术发展迅速。现在天文观测设备已经覆盖了多个电磁波波段。射电、红外、光学（也就是可见光波段）、紫外、X射线、伽马射线都有很多望远镜。我们的大气对大部分电磁波是不透明的。但是有两个非常透明的波段，一个可见光波段，另一个是射电波段。这也是为什么我们可以把光学望远镜和射电望远镜建在地面上。但远红外、X射线、伽马射线望远镜都是空间望远镜。

今天的天文观测已经进入了多波段、多信使观测时代。多波段指的是多个电磁波波段。而多信使指的是电磁波、中微子、引力波等多种信使。例如，现在得到了太阳在红外、光学、紫外和X射线波段的图像。也得到了一些星系在射电、红外、光学、紫外和X射线波段的图像。

我们来看看望远镜。这是Parkes望远镜，这是一台位于澳大利亚的射电望远镜。这是JCMT望远镜，这是一台位于夏威夷的亚毫米波望远镜。这是Keck望远镜，这是两台近红外、光学望远镜。这是美国宇航局的四大空间望远镜，覆盖了红外、光学、紫外、X射线和伽马射线波段。

除了观测电磁波的望远镜，还有观测中微子和引力波的望远镜。这是位于南极的Ice Cube中微子天文台。这是位于美国的LIGO引力波天文台。通过中微子和引力波，我们可以看到不一样的现象。

有了观测数据，我们可以在参数空间里对天体进行研究。这是恒星的赫罗图，横坐标是恒星表面的温度，纵坐标是恒星的光度。大部分恒星都位于这条带里，这条带叫主序。少部分恒星分布在其他地方。从赫罗图里还能看到小质量恒星死亡后的一种产物——白矮星。

要理解恒星的观测，还需要恒星的理论模型。现在已经可以对恒星的演化进行计算，将计算结果和赫罗图进行比较，让我们了解了各种质量的恒星的生命历程。从这张图可以清楚地看到各种质量的恒星的演化过程。质量小于0.08倍太阳质量的星不会达到主序，只会形成褐矮星。0.08倍太阳质量到0.4倍太阳质量的恒星处于主序的时间会非常长，比宇宙年龄长很多。0.4倍太阳质量到8倍太阳质量的恒星最终会形成白矮星。8倍太阳质量到25倍太阳质量的恒星最终会形成中子星。而质量超过25倍太阳质量的恒星最终会形成黑洞。

星系由恒星组成，但星系比恒星复杂得多。只能粗略地从形态上进行分类。这种星系的形态序列成为哈勃序列，是哈勃提出来的，也称为哈勃音叉图。音叉图最左边是椭圆星系，右边上面一支是旋涡星系，下面一支是棒旋星系。这幅图还展示了哈勃序列随时间的演化。

在宇宙大尺度结构的研究中，数值模拟也起到了重要作用。在计算机中，我们可以看到宇宙大尺度结构的形成过程。

下面讲讲宇宙的成分。可能大家都听过暗物质和暗能量这两个名词。这是两种在宇宙中占绝对多数的成分。我们所知道的重子物质，或者称为可见物质，只占5%。暗物质是在研究星系和星系团的物质分布时发现的。在星系的研究中发现，星系外围的旋转速度随距离的下降比理论预测要缓慢得多。这意味着存在大量不可见的物质，这就是暗物质。在星系团的观测中也发现总的质量分布和可见物质的分布不重合，说明存在大量暗物质。另一种暗成分——暗能量会影响宇宙的命运，现在认为宇宙是加速膨胀的，膨胀会越来越快。

作为对天文学一般讲述的结束，我们来看个视频吧，直观感受一下宇宙的广大和微观粒子的微小。

视频看完，下面讲讲我的工作。我在中国科学院国家天文台工作，一直以来的工作都和这台射电望远镜有关。可能有同学知道，这就是位于贵州省的“中国天眼”，FAST，全称是500米口径球面射电望远镜。FAST建设在一个喀斯特洼地中。这个洼地很圆，地质条件比较稳定，适合建造FAST。而且喀斯特洼地的一个特点就是不积水，水都留到地下河里。FAST由几个系统组成。容易看到反射面。发射面铺在一张钢索织成的网上，这张网挂在这个环形的梁上。可以看到外面还有六座塔，这是用来把馈源舱吊起来的。

反射面上有空，可以透过50%的光。所以可以从反射面下面看到上面的馈源舱。馈源舱由6根索吊起来，每根索通过一座塔顶上的滑轮连到下面的卷扬机。可以看到馈源舱下面挂着接收机，用来接收电磁波信号。目前在使用的是19波束接收机。这是接收机在实验室里测试的情况。

接收机放在焦点出，电磁波由反射面汇聚到焦点。要注意，FAST是一台球面望远镜。要实现聚焦，需要把一部分反射面变为抛物面。所以FAST的反射面做成了主动反射面。观测的时候要不断把一部分反射面变为抛物面。关于抛物面聚焦，我们来看看一段直观的视频。

FAST目前已经开展了一些观测，取得了一些成果。这张图可以很好地总结。主要成果集中在快速射电暴和脉冲星。中性氢观测有一些初步成果。FAST已经看到不少毫秒脉冲星了，这是第一颗。FAST也看到了双星系统中的脉冲星，伴星对脉冲星发出的脉冲有掩食。此外，FAST对快速射电暴的观测证明了快速射电暴应该起源于致密星磁层中的物理过程，而不是源自激波碰撞。

我们来听一听脉冲星的“声音”，这是用脉冲星信号转换得到的声音。

最后来讲讲我的经历吧。我是二十年前参加高考的，所以大部分经验对于你们而言已经不适用了。不过我发现有一些经验一直对我有很大帮助，所以我还是想和大家分享一下。我的经历比较简单，一般会在一个地方待很长时间。除了小学转过一次学，初中高中在同一所学校，大学本科到研究生都在一所大学。

我上初中以前，各门课比较均衡，语文和数学都学得很有兴趣。很喜欢写日记，做数学题。上初中忽然就不喜欢语文了，那个时候开始讲语法，我发现别的同学好像小学都学过，我竟然一点都不知道，一脸懵逼。我真正顿悟语法是学了英语语法之后。但此时对语文的兴趣已经没有了。对学习的兴趣主要变成了学数学。初中数学考试除了最后中考，我的分数都是满分。我确实在数学上花了很多时间。好在在数学的带动下，我的物理和化学学得也不错。所以初中就像经历了一个相变过程，我变成了一个理科生。

高中的时候自然选了理科，语文没什么起色。直到高三，意识到，如果语文不学好，考不出好的成绩，于是花了很多时间补语文。最终语文的分数比平时高了二十多分。不过数学大意了，比平时低了二十分。最终是靠着物理和化学的稳定发挥得到了还算满意的成绩。

如果要总结什么经验，那就是，好好学语文，语文学不会，不仅分数受影响，以后的学习和工作都会受影响。

谢谢大家！