宇觀星系 微知天體
——記北京大學(xué)天體物理研究員王然

本刊記者 杜月嬌

宇觀星系 微知天體
——記北京大學(xué)天體物理研究員王然

本刊記者 杜月嬌

“宇宙一度又燙又稠密，億年前終于爆了炸等著瞧……地球開(kāi)始降溫，自養(yǎng)生物來(lái)起哄，穴居人發(fā)明工具，一切由大爆炸開(kāi)始……星系形成時(shí)間比唱完這支歌還要短，元素在微秒間便形成了……”相信很多美劇迷對(duì)《生活大爆炸》這段歌詞一定不陌生，也對(duì)其中不斷爆出的科學(xué)理論知識(shí)充滿好奇。王然所從事的就是充滿玄妙的天體物理學(xué)，眼前的她，優(yōu)雅中透著知性，就是這樣一位溫柔如水的女性，在天體物理研究上卻可以有穿透堅(jiān)硬磐石般的韌性。她背后究竟有怎樣故事？記者帶您走近天體物理學(xué)家——王然。

探尋宇宙奧秘：溪匯百川而成海

徜徉于溫柔的星空，很多關(guān)于生命的美好暢想也會(huì)隨之不斷迸發(fā)，對(duì)王然來(lái)說(shuō)卻不盡是如此，在宇宙神秘的一隅存在著很多神秘的劇烈運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)怎么形成的？演變的過(guò)程是什么？她所從事的觀測(cè)研究便圍繞于此。從地球物理到天體物理，聽(tīng)她娓娓細(xì)語(yǔ)講述一路走來(lái)與浩瀚星空結(jié)下的不解之緣，原本抽象晦澀的天體研究也變得有趣了。

2015年2月26日，國(guó)際頂級(jí)周刊《自然》刊登了以北大天文學(xué)者為主的國(guó)際團(tuán)隊(duì)的最新發(fā)現(xiàn)，吳學(xué)兵教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)一顆距離地球128億光年（紅移6.3）、中心黑洞質(zhì)量為120億倍太陽(yáng)質(zhì)量的類(lèi)星體。其光度為太陽(yáng)的430萬(wàn)億倍，比目前已知距離最遠(yuǎn)的類(lèi)星體還亮7倍。

類(lèi)星體是一種在極其遙遠(yuǎn)距離外觀測(cè)到的高光度和強(qiáng)射電天體，它的中心是質(zhì)量超過(guò)太陽(yáng)質(zhì)量千萬(wàn)倍的超大質(zhì)量黑洞，通過(guò)研究遠(yuǎn)距離高紅移類(lèi)星體，人們可以窺知早期宇宙結(jié)構(gòu)和演化的信息，王然和她的團(tuán)隊(duì)目前正從事此科研項(xiàng)目的研究工作。

宇宙大爆炸理論認(rèn)為，遙遠(yuǎn)的星系都在向四周退行，都在離我們遠(yuǎn)去，由于宇宙膨脹，類(lèi)星體發(fā)出的光線的光譜向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，即為宇宙學(xué)紅移。“在已知的紅移6的最明亮的類(lèi)星體中，大約30%有著明亮的塵埃輻射，其遠(yuǎn)紅外光度接近甚至超過(guò)低紅移宇宙中存在劇烈恒星形成活動(dòng)的星系。也就是說(shuō)，這些宇宙極早期的類(lèi)星體寄主星系內(nèi)部存在著劇烈的恒星形成活動(dòng)。”王然耐心地向記者闡述她的觀測(cè)研究成果。據(jù)了解，她所從事的工作是相關(guān)科研領(lǐng)域第一次對(duì)大樣本的紅移6類(lèi)星體的毫米波和射電輻射，以及寄主星系中的恒星形成活動(dòng)水平給出了總結(jié)性的研究。

“求木之長(zhǎng)者，必固其根本；欲流之遠(yuǎn)者，必浚其泉源。”做科研也是如此，浩瀚無(wú)邊的天際充滿了無(wú)窮奧秘，開(kāi)啟這一扇扇神秘大門(mén)沒(méi)有捷徑，只能從根源一點(diǎn)點(diǎn)探索起，逐步建立起自己研究領(lǐng)域的框架體系。從第一次“觸電”國(guó)際先進(jìn)射電天文臺(tái)，到第一次完成對(duì)類(lèi)星體毫米波和射電輻射，并寄主星系中恒星形成活動(dòng)作出總結(jié)性研究，王然一磚一瓦搭建起自己的“科研大廈”。

談及自己以博士研究生身份到美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)進(jìn)行為期兩年的觀測(cè)研究時(shí)，王然言辭間充滿對(duì)恩師和母校的感恩。“當(dāng)時(shí)系里老師非常注重學(xué)科教育上與國(guó)際前沿科技的接軌。”科技要走出去，與世界尖端技術(shù)接軌，是相關(guān)科研項(xiàng)目得以細(xì)水長(zhǎng)流的重要影響因素，多年國(guó)外學(xué)習(xí)、科研工作經(jīng)歷不僅讓王然有機(jī)會(huì)與國(guó)際前沿技術(shù)接觸，更教會(huì)了她在學(xué)術(shù)研究中以獨(dú)立的視角展開(kāi)學(xué)術(shù)交流。“北大走出去的學(xué)生獨(dú)立性很強(qiáng)。”

2006～2008年間，王然曾以交流生身份來(lái)到美國(guó)，初到美國(guó)時(shí)，除了撲面而來(lái)的新鮮感，還需要克服語(yǔ)言、飲食、文化等各種不適應(yīng)，更不能忘記母校和恩師的重托，需要抓緊一切可以學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)當(dāng)時(shí)在這一領(lǐng)域科研觀測(cè)方面弱項(xiàng)。在國(guó)際著名射電天文學(xué)家Chris L.Carilli博士的指導(dǎo)下，她曾多次申請(qǐng)到美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)（NRAO）和法國(guó)毫米波天文臺(tái)（IRAM）的觀測(cè)時(shí)間，完成了對(duì)近30個(gè)紅移為6類(lèi)星體（當(dāng)時(shí)能收集到的最大樣本）射電波段連續(xù)譜、塵埃遠(yuǎn)紅外連續(xù)譜的觀測(cè)。

換個(gè)角度探尋：水到而后渠成

“感覺(jué)自己是很幸運(yùn)的，能夠一路學(xué)習(xí)和鉆研自己喜歡的專(zhuān)業(yè)。”王然語(yǔ)氣從容又不失溫柔地回答記者提問(wèn)。小時(shí)候，和很多孩子一樣，王然也對(duì)神秘的天文宇宙極為向往，讓她尤為印象深刻的是爸爸買(mǎi)給她的望遠(yuǎn)鏡，雖然只是個(gè)玩具，但探索未知宇宙的求知種子卻已悄然萌芽。現(xiàn)在，她也會(huì)在假期約上朋友、帶上家人到郊外看看星空，這既是一種放松自己心情的生活方式，也為科研打開(kāi)了另外一扇窗戶(hù)。

2015年7月14～16日，東亞活動(dòng)星系核研討在吉林長(zhǎng)春如期舉行，這是繼韓國(guó)濟(jì)州和日本札幌成功舉辦后的第三次會(huì)議。王然說(shuō)“這樣的會(huì)議對(duì)我們來(lái)講是一個(gè)窗口，和國(guó)際同行聚在一起，互相討論學(xué)習(xí)，或者做學(xué)術(shù)研究上的合作。針對(duì)不同問(wèn)題從不同視角做分析，大家在分享自己學(xué)術(shù)成果的同時(shí)，也很有可能與其他人的成果碰撞出新的火花。”

古希臘哲學(xué)家芝諾曾說(shuō)過(guò)：知識(shí)就好像一個(gè)圓，已知的在圓內(nèi)，未知的在圓外，知道的越多，這個(gè)圓越大，圓越大，未知的就越多。王然也有同感：“越往里走，越覺(jué)得這個(gè)世界越廣闊，未知的東西就越多。”2008～2011年間，王然又展開(kāi)了對(duì)紅移6類(lèi)星體的分析CO譜線觀測(cè)研究，發(fā)現(xiàn)并證明了這些宇宙極早期的類(lèi)星體寄星系中，存在著大量的分子氣體成分，這些分子氣體為黑洞吸積以及星系恒星形成提供了必須的原料。同時(shí)，CO譜線的發(fā)現(xiàn)也成為這些系統(tǒng)中存在著劇烈恒星形成活動(dòng)的有力證據(jù)，也為類(lèi)星體寄主星系的動(dòng)力學(xué)質(zhì)量給出了重要的限定。乘勝追擊，王然又在2011年成功申請(qǐng)到歐洲南方天文臺(tái)赫歇爾空間望遠(yuǎn)鏡對(duì)弱發(fā)射線類(lèi)星體和紅移6類(lèi)星體塵埃輻射兩個(gè)項(xiàng)目的觀測(cè)時(shí)間。

很多事情的堅(jiān)持源于內(nèi)心的最初堅(jiān)持，在前行路上遇到各種困境阻礙自然也是常態(tài)，制勝的關(guān)鍵取決于團(tuán)隊(duì)實(shí)力和魄力。ALMA毫米波射電望遠(yuǎn)鏡作為美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)、歐洲南方天文臺(tái)、日本國(guó)家天文臺(tái)等多個(gè)國(guó)家聯(lián)合制造的世界上最大的亞毫米波和毫米波地面望遠(yuǎn)鏡陣列。在早期試驗(yàn)觀測(cè)階段，面對(duì)1年中僅有600個(gè)小時(shí)的寶貴觀測(cè)時(shí)間的境況，要想在全世界范圍內(nèi)已經(jīng)提交的900多份觀測(cè)申請(qǐng)中脫穎而出，不僅需要強(qiáng)硬的科研實(shí)力做支撐，也需要強(qiáng)大的抗壓能力做保障。值得高興地是，王然和她的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成了第一期的觀測(cè)，且在5個(gè)紅移6類(lèi)星體的寄主星系中發(fā)現(xiàn)了明亮的[CII]輻射。

浩瀚無(wú)邊的宇宙藏有太多未知的奧秘，王然對(duì)紅移6類(lèi)星體以及其寄主星系共同演化過(guò)程的研究發(fā)表在天文學(xué)雜志（The Astronomical Journal）、天體物理學(xué)雜志（The Astrophysical Journal）等國(guó)際一流學(xué)術(shù)期刊上。也曾多次被自然（Nature）雜志的文章引用，并因此在2010年獲得國(guó)家射電天文臺(tái)“Jansky fellow”博士后研究基金及職位，這是國(guó)際射電天文界最具競(jìng)爭(zhēng)力的博士后研究職位。

“從最開(kāi)始出國(guó)交流，就抱著一定要回國(guó)的心。”在國(guó)外的這些年，王然與北京大學(xué)類(lèi)星體研究團(tuán)隊(duì)也一直保持密切合作和交流，她渴望將自己這幾年在類(lèi)星系演化領(lǐng)域的研究，以及在毫米、射電波段的觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)介紹給北京大學(xué)的學(xué)生們，號(hào)召更多感興趣的同學(xué)加入到自己的研究團(tuán)隊(duì)中，為祖國(guó)培養(yǎng)射電天文領(lǐng)域的后備人才。

2013年，伴隨貴州平塘縣的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡主題圈梁合龍，世界最大的單口徑天文望遠(yuǎn)鏡全面進(jìn)入設(shè)備安裝階段，F(xiàn)AST是我國(guó)天文望遠(yuǎn)鏡建設(shè)領(lǐng)域的重大突破，預(yù)計(jì)在2016年投入使用，將在未來(lái)20～30年保持世界一流設(shè)備的地位。近年來(lái)，政府投資在建的天文臺(tái)、望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目不斷增多，這也給越來(lái)越多優(yōu)秀天文學(xué)者以信心，王然自然也是其中一員。雖然說(shuō)，現(xiàn)階段中國(guó)在天文觀測(cè)方面的硬件設(shè)施還難以與世界上一些地區(qū)相抗衡，但如果在實(shí)際觀測(cè)中真的需要用到相關(guān)天文觀測(cè)臺(tái)，王然多年留學(xué)經(jīng)歷也為她積攢了豐富的資源，硬件設(shè)備并不足以成為她科研觀測(cè)道路的主要阻礙。

回國(guó)后，王然提到自己面臨的一個(gè)大挑戰(zhàn)是師生角色的轉(zhuǎn)變和互換，一方面自己還要繼續(xù)在黑洞和寄主星系的共同演化上做相關(guān)課題研究，另外一方面，她現(xiàn)在也開(kāi)始帶學(xué)生，既要站在科研者的角度踏踏實(shí)實(shí)搞觀測(cè)研究，還要站在教書(shū)育人角度輔導(dǎo)學(xué)生投入到科研中。“從本科到博士研究生，在天體物理科研方向的啟蒙老師，吳學(xué)兵老師給了我很大的幫助，包括在師生角色轉(zhuǎn)換、科研學(xué)術(shù)上的指導(dǎo)。”

堅(jiān)持做好自己：水利萬(wàn)物而不爭(zhēng)

天文學(xué)家認(rèn)為，宇宙間的一切物質(zhì)都在運(yùn)動(dòng)中，遙遠(yuǎn)的星系同樣在遠(yuǎn)離我們而去，例如北冤星系團(tuán)大約以每秒21600公里的速度飛奔而去；武仙星系團(tuán)約以每秒10300公里的速度離開(kāi)我們；后發(fā)座星系團(tuán)約以每秒6700公里的速度離開(kāi)我們。

這些星系為什么要離開(kāi)我們？我們又是怎么知道它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)的呢？第一次聽(tīng)到這樣的疑問(wèn)還是在王然本科加入青年天文協(xié)會(huì)的時(shí)候。其實(shí)了解、學(xué)習(xí)甚至鉆研這個(gè)專(zhuān)業(yè)，對(duì)絕大多數(shù)人來(lái)講最重要的是興趣，只有投入其中才會(huì)發(fā)現(xiàn)里面待探索的有趣問(wèn)題非常多，只有處于這個(gè)狀態(tài)時(shí)才能學(xué)習(xí)到更多知識(shí)。王然對(duì)自己學(xué)生的要求也是如此。“興趣是第一生產(chǎn)力”，現(xiàn)在，王然正帶領(lǐng)自己的科研團(tuán)隊(duì)做“紅移6類(lèi)星體寄主星系的演化特征”的研究。“他們和當(dāng)年我剛?cè)ッ绹?guó)做交流生時(shí)年齡差不多，團(tuán)隊(duì)兩個(gè)人都是“90后”的孩子，接受力很強(qiáng)的年紀(jì)。”王然談到自己所帶的兩個(gè)博士，眼睛里溫柔之光點(diǎn)點(diǎn)閃爍。“其實(shí)，感覺(jué)自己就像是他們的姐姐一樣，他們很多想法都很棒，是我們團(tuán)隊(duì)里所需要的新鮮血液。”

宇宙形成初期，第一代恒星、星系、和黑洞的形成被列為是美國(guó)第6個(gè)十年天文計(jì)劃（The Astro2010 Decadal Survey on Astronomy and Astrophysics）的三大首要目標(biāo)，預(yù)計(jì)在2010～2020年間重點(diǎn)展開(kāi)對(duì)此三個(gè)項(xiàng)目的觀測(cè)研究。未來(lái)3年內(nèi)，王然和她團(tuán)隊(duì)的科研課題也基于此展開(kāi)對(duì)超大質(zhì)量黑洞和星系的形成與演化的科研觀測(cè)。牛頓曾說(shuō)過(guò)：如果我比別人看的遠(yuǎn)一些，那是因?yàn)槲艺驹诰奕说募绨蛏稀１绕甬?dāng)年王然自己一個(gè)人“單刀赴會(huì)”勇闖美國(guó)、歐洲等世界知名天文臺(tái)爭(zhēng)取最佳觀測(cè)時(shí)間，現(xiàn)在王然所帶的學(xué)生無(wú)疑是幸運(yùn)的，她已經(jīng)憑借多年觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)以及人脈資源積累，為他們打造了一支底氣十足的團(tuán)隊(duì)。

“眼下還是有挺多事情要忙的。ALMA對(duì)J1319+0950，J1044-0125，J0129-0035 三個(gè)源[CII]和塵埃連續(xù)譜的成圖觀測(cè)已于2015年11月完成。我們將開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。同時(shí)推動(dòng)ALMA對(duì)樣本中其他源的[CII]、塵埃連續(xù)譜、以及CO（6-5）譜線的觀測(cè)。”在王然心里，探尋未知是一件很有魔力的事情，尤其能夠和一群志同道合的人在一起努力，就更讓她著迷。“我比較喜歡這樣的氛圍”，她說(shuō)。

水有很多形狀，蒸而變?yōu)橛辏焕涠Y(jié)成雪、化為霧；又或凝結(jié)成一面如晶瑩明鏡的冰，不論其變化如何，仍不失其本性。王然，也有著如水般的溫柔，如水般的堅(jiān)韌，低處成湖，高處成瀑。她，享受著當(dāng)下，也創(chuàng)造著未來(lái)。