沈俊太：對話宇宙探秘星系

李明麗

我們生活在地球上，地球運(yùn)行在太陽系中，太陽系又運(yùn)行在銀河系中，而星系是宇宙基本的構(gòu)成單位，宇宙由上億萬個銀河系一樣的星系組成，但關(guān)于星系中各種結(jié)構(gòu)的動力學(xué)成因，卻總是考驗(yàn)一代又一代人的智力。

中科院上海天文臺研究員、博士生導(dǎo)師，星系動力學(xué)團(tuán)組首席，中國科學(xué)院“百人計(jì)劃”入選者沈俊太就志在解開謎團(tuán)，努力帶給更多人對宇宙的神秘向往，吸引越來越多的星空探秘人不斷探索未知領(lǐng)域。科研腳步繞地球一圈，回到祖國后的沈俊太，喜人成績接踵而來，而他卻總是說，需要繼續(xù)努力才能不斷前進(jìn)。走近宇宙

自幼成長于普通農(nóng)村家庭的沈俊太，盡管當(dāng)時(shí)的教育條件非常落后，但他依然以優(yōu)異的成績考取了山西省重點(diǎn)中學(xué)臨汾一中，并在那里逐漸對物理科學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣。高考那年，他以優(yōu)異的成績考入中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)。在大學(xué)校園濃厚的科研氛圍中，沈俊太不僅增長了知識，也開闊了自己的視野。

本科畢業(yè)后，沈俊太踏上了東行的航班，飛抵大西洋彼岸的美國。此后，他的學(xué)術(shù)之路便越走越遠(yuǎn)，而身后留下的是一串星光熠熠的印記。1999年，他在美國西北大學(xué)物理與天文系獲得碩士學(xué)位；2005年，在美國羅格斯大學(xué)獲得天體物理博士學(xué)位。值得一提的是，沈俊太的博士論文榮獲2006年度羅格斯大學(xué)Richard J.Piano博士論文獎。同年，29歲的沈俊太作為Harlan Smith冠名博士后，開始了在德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的科研工作。無論是“博士論文獎”，還是“Harlan Smith冠名博士后”，都是這兩所著名大學(xué)里中國留學(xué)生首次獲得的榮譽(yù)。

遨游在神秘的宇宙，沈俊太主要從事星系結(jié)構(gòu)及動力學(xué)研究。在銀河系的動力學(xué)結(jié)構(gòu)中，他在棒旋星系，超大質(zhì)量黑洞的測量，星系翹曲等諸多領(lǐng)域都做出了重要貢獻(xiàn)。首次用無碰撞多體模擬的方法產(chǎn)生出了接近現(xiàn)實(shí)的雙棒星系，并首次發(fā)現(xiàn)了雙棒轉(zhuǎn)動速度的波動性，此模型可成功解釋雙棒星系的眾多觀測特征；通過對星系建立基于軌道迭加的自洽動力學(xué)模型，精確測量出了超大黑洞的質(zhì)量和星系暗物質(zhì)暈的質(zhì)量分布。

4年后，沈俊太入選中科院“百人計(jì)劃”，作為杰出海外人才回到了祖國的懷抱。落戶中科院上海天文臺的他，繼續(xù)從事著星系動力學(xué)的前沿研究。

其實(shí)早在回國之初，沈俊太還在學(xué)習(xí)重新適應(yīng)國內(nèi)的新環(huán)境，甚至比在美國時(shí)還要加倍努力。“因?yàn)楦偁幖ち遥谔煳膶W(xué)領(lǐng)域，國內(nèi)最近幾年發(fā)展迅猛。”沈俊太解釋道。他說，走得很快，是因?yàn)樽约涸谝凰易叩帽绕渌家斓拇蟠稀Ｋ傅摹按蟠保瑹o疑是正在飛速發(fā)展的中國。

經(jīng)過自己的不懈努力，沈俊太陸續(xù)獲得了國家自然科學(xué)基金等各項(xiàng)項(xiàng)目的資助，并作為科研骨干參與了自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目。他也參與了兩項(xiàng)國家“973”重大科學(xué)研究計(jì)劃，并取得了令人矚目的良好成績。他還為陸琰院士組織編寫的《現(xiàn)代天體物理》一書撰寫了“銀河系結(jié)構(gòu)與動力學(xué)”等章節(jié)。他發(fā)表的多篇第一作者或通訊作者論文已經(jīng)被國際天文學(xué)權(quán)威教科書《星系動力學(xué)》《星系的形成與演化》及劍橋大學(xué)Gilmore教授主編、Springer科學(xué)出版社出版的最新國際天文百科全書“Planets，Stars and Stellar Systems”等著作多次引述。

這些科研成果也讓沈俊太逐步躋身于天文學(xué)國際專家行列。

探秘銀河動力學(xué)

多年來，銀河系的演化一直是天文學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。銀河系是一個巨大的旋渦星系，學(xué)界通常認(rèn)為它由星系盤、中心核球以及暗物質(zhì)暈組成。近年來，沈俊太團(tuán)隊(duì)對銀河系的核球結(jié)構(gòu)做出了嶄新的全面認(rèn)識，提出了銀河系核球是個“偽核球”，并不包含一個顯著的經(jīng)典核球。

2010年，沈俊太基于高精度多體模擬研究了銀河系核球的動力學(xué)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)一個棒旋星系模型與核球的眾多觀測數(shù)據(jù)吻合得極好，這表明銀河系核球其實(shí)就是側(cè)面看到的棒；它主要是由原初的星系盤通過自身動力學(xué)不穩(wěn)定性增厚而產(chǎn)生的“偽核球”。所謂“偽”，是相對于經(jīng)典核球而言——經(jīng)典的星系形成理論預(yù)言核球應(yīng)該是在星系并合過后產(chǎn)生的。

目前的星系形成理論認(rèn)為，像銀河系這樣大質(zhì)量的棒旋星系的形成，必須經(jīng)過若干次星系并合的過程，而星系并合不可避免地會在星系中心形成顯著的經(jīng)典核球。所以根據(jù)沈俊太的這項(xiàng)研究，現(xiàn)有的星系形成模型必須在星系尺度上有大的改進(jìn)以解釋眾多類似銀河系的大質(zhì)量純盤星系，這也是目前研究星系形成和演化的一個尚未解決的重要難題，而沈俊太領(lǐng)導(dǎo)的該研究無疑為解決此難題開辟了新的窗口和思路。

沈俊太團(tuán)隊(duì)的研究很快引起了國際天文學(xué)界諸多國外專家的高度關(guān)注，美國國家光學(xué)天文臺的網(wǎng)站首頁報(bào)道了沈俊太參與完成的銀河系核球區(qū)恒星巡天工作及他主導(dǎo)的動力學(xué)模型工作。而沈俊太的這項(xiàng)研究并沒有止步。在他的指導(dǎo)下，上海天文臺博士后李兆聿在銀河系結(jié)構(gòu)研究中也取得了新的進(jìn)展：在分析沈俊太給出的銀河系高精度模型的基礎(chǔ)上，他們發(fā)現(xiàn)銀河系核球區(qū)存在一個奇特的垂向X型結(jié)構(gòu)，并對其做出了令人信服的動力學(xué)解釋。他們對銀河系核球模型進(jìn)行了更仔細(xì)的分析，發(fā)現(xiàn)模型中也存在一個顯著的X型結(jié)構(gòu)，其與銀河系的觀測數(shù)據(jù)符合得很好。這一重要發(fā)現(xiàn)使利用數(shù)值模擬來“觀測”盒狀核球的形成過程成為可能。

緊接著，星系動力學(xué)團(tuán)組進(jìn)一步探究了核球的X型結(jié)構(gòu)。他們驗(yàn)證了帶有X型結(jié)構(gòu)的盒狀核球確實(shí)有規(guī)可循——源于棒結(jié)構(gòu)中的恒星運(yùn)動.指出先前理論工作推測的“香蕉型”軌道家族可能并非X型結(jié)構(gòu)的主要組成部分.并提出了可供未來的銀河系巡天觀測驗(yàn)證的理論預(yù)言。此外.他們還發(fā)現(xiàn)恒星視向速度與銀經(jīng)方向的自行也存在明顯的相關(guān)性。

上海天文臺星系動力學(xué)團(tuán)組的核球系列論文在短短幾年內(nèi)已被國際同行引用兩百余次，并且被眾多權(quán)威綜述論文以及劍橋大學(xué)主編的國際參考書收入并配發(fā)原圖。與此同時(shí)，沈俊太的工作得到了國內(nèi)外同行的極大關(guān)注，他多次受邀在知名國際會議上闡述自己的研究成果，例如國際天文學(xué)聯(lián)合會會議的特邀綜述報(bào)告，第五屆東亞數(shù)值天體物理會議的一小時(shí)特邀講座，紀(jì)念林家翹先生創(chuàng)立密度波理論五十周年的國際研討會的邀請報(bào)告等，他也是國際專業(yè)會議“盤星系動力學(xué)”的兩個共同主席之一，并擔(dān)任國際天文聯(lián)合學(xué)會會議“Galaxy evolution through secular processes”的科學(xué)委員會成員。鑒于沈俊太取得的這些突出學(xué)術(shù)成績，他還應(yīng)邀成為了美國自然科學(xué)基金委的會議評審專家，負(fù)責(zé)評審星系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的申請書，并且在2016年獲得英國皇家學(xué)會的牛頓高級學(xué)者基金資助。

揭秘雙棒星系

沈俊太關(guān)于銀河動力學(xué)的研究無疑是他近年來重要的學(xué)術(shù)成果，并讓他蜚聲國際。而在其他研究方向上，他也絲毫沒有減慢腳步，同樣取得了令人矚目的成果。

“我們生活在銀河系之中，曾經(jīng)我們以為銀河系是一個普通的旋渦星系，現(xiàn)在已知道它原來是一個棒旋星系。”沈俊太娓娓道來。其實(shí)，大部分旋渦星系都像銀河系一樣，因?yàn)樾窍当P自身的不穩(wěn)定性而在星系中心形成由大量恒星聚集而成的“棒”狀結(jié)構(gòu)，這一類星系被稱為“棒旋星系”。其中，還有一個子類的棒旋星系很特殊，它們包含兩個棒，小棒嵌在大棒中.因其“二”而被稱為雙棒星系。

特殊不意味著它們很罕見，其實(shí)光學(xué)和紅外的觀測發(fā)現(xiàn)雙棒星系相對比較常見——約四分之一的早型棒旋星系是雙棒星系。由于通常這兩個星系棒的轉(zhuǎn)動速度和尺度都不相同，它們之間也進(jìn)行相互作用，因此此類星系有諸多非常奇特的動力學(xué)特性。

然而，天文界對此類特殊棒旋星系的形成條件和過程一直沒有定論。此前一些理論認(rèn)為，大量氣體的存在是形成中心小棒并同主棒解耦的必要條件。沈俊太與英國中央蘭開夏大學(xué)教授Debattista共同指導(dǎo)中國科學(xué)院上海天文臺博士研究生杜敏，在雙棒星系的形成與演化理論研究中取得了新進(jìn)展。他們通過不含氣體的多體數(shù)值模擬方法研究棒旋星系的形成和演化，并通過系統(tǒng)探索參數(shù)空間，發(fā)現(xiàn)在純盤星系中心加入以有序運(yùn)動為主導(dǎo)的動力學(xué)冷盤可以成功產(chǎn)生這種奇特的雙棒結(jié)構(gòu)。“當(dāng)小棒與大棒平行時(shí)，小棒的強(qiáng)度比較弱但轉(zhuǎn)動更快些，而當(dāng)二者垂直時(shí)，小棒的強(qiáng)度比較強(qiáng)但轉(zhuǎn)動比較慢。”沈俊太講述著雙棒星系在形成后呈現(xiàn)出的有趣的動力學(xué)特性。

目前該工作已經(jīng)于近期發(fā)表在國際核心期刊《天體物理雜志》上，并且已經(jīng)得到國際同行的關(guān)注。

闡明核環(huán)形成機(jī)制

在棒旋星系的長期演化過程中，

“棒”扮演了很重要的角色。其中最主要的一個方面就是星系棒可以驅(qū)動氣體內(nèi)流至星系中心區(qū)域，從而形成新的恒星。因而棒被認(rèn)為可以重新分布星系的物質(zhì)、角動量及能量。

在棒旋星系中，科學(xué)家經(jīng)常可以觀測到很多由棒產(chǎn)生的氣體子結(jié)構(gòu)，例如在棒旋轉(zhuǎn)方向的前側(cè)會出現(xiàn)高密度塵埃帶，以及在星系中心附近具有很強(qiáng)恒星形成率的核環(huán)。顯然這些結(jié)構(gòu)的特征和產(chǎn)生條件與寄主星系特別是星系棒的性質(zhì)息息相關(guān)，但學(xué)術(shù)界此前對核環(huán)的形成條件、形狀、及大小等重要問題都沒有進(jìn)行系統(tǒng)地解決。

沈俊太說：“之前的研究通常認(rèn)為核環(huán)的位置接近于星系的某一特定半徑——內(nèi)林德布拉德共振（ILR）半徑，或在兩個ILR半徑之間，然而這些共振半徑嚴(yán)格來講僅在星系棒擾動較弱時(shí)才有意義。”

上海天文臺博士研究生李智在沈俊太與韓國首爾國立大學(xué)金雄泰教授的指導(dǎo)下，對棒旋星系中的核環(huán)進(jìn)行了系統(tǒng)細(xì)致的數(shù)值模擬研究。他們利用高精度流體數(shù)值模擬，通過系統(tǒng)探索參數(shù)空間，發(fā)現(xiàn)模擬中的棒旋星系可以產(chǎn)生兩種核環(huán)，一種近似圓形并在棒的短軸方向輕微拉伸，另一種具有很高的橢率并和棒的主軸方向平行。

此外，他們還對核環(huán)的形成機(jī)制提供了新的解釋：由于核環(huán)是由氣體損失角動量（旋轉(zhuǎn)的能力）而落入星系中心堆積而成的，所以核環(huán)的位置取決于氣體的總角動量損失，以及星系中心的勢場分布。前者受星系中非軸對稱結(jié)構(gòu)的特性控制.如棒的強(qiáng)度、軸比和轉(zhuǎn)動速度；而后者取決于星系中心軸對稱結(jié)構(gòu)，如核球的大小，質(zhì)量分布。

“共振半徑解釋僅僅提供了一個核環(huán)形成的寬泛范圍，而我們的核環(huán)形成機(jī)制則可以更準(zhǔn)確地預(yù)言核環(huán)的大小及形狀，因此適用面更廣，可以廣泛應(yīng)用于具有核環(huán)的棒旋星系樣本中限制星系的物理參數(shù)，從而使我們更好地理解棒旋星系的演化規(guī)律。”沈俊太總結(jié)道。目前該工作已經(jīng)發(fā)表在國際核心期刊《天體物理雜志》上。

桃李滿天下

沈俊太在忘我工作的同時(shí)并沒有忘記培養(yǎng)新人的重任，他不僅是一個對事業(yè)孜孜不倦的學(xué)者、一個精益求精的科學(xué)家，更是一名誨人不倦的師長。

本著報(bào)效祖國的初衷，沈俊太認(rèn)為應(yīng)該把自己畢生所學(xué)傳授給自己的學(xué)生。他甘當(dāng)人梯，致力于讓自己的學(xué)生也能夠逐漸成長為比自己更加優(yōu)秀的科學(xué)工作者。自2009年回國并擔(dān)任博士生導(dǎo)師以來，沈俊太就開始積極招收對科學(xué)研究興趣濃厚的學(xué)生和博士后，一支強(qiáng)有力的科研團(tuán)隊(duì)也逐漸發(fā)展壯大。

在對學(xué)生的培養(yǎng)過程中，沈俊太積極吸取國外著名大學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合自身體會，組織了一系列有利于提高學(xué)生科研素質(zhì)和科研能力的活動。“要學(xué)會泛讀和精讀文獻(xiàn)；積極關(guān)注領(lǐng)域內(nèi)的最新成果；掌握做報(bào)告的重要技巧；要學(xué)會向別人展示自己的工作，加強(qiáng)學(xué)術(shù)交流。”沈俊太強(qiáng)調(diào)，為人師長不僅要教授學(xué)生科學(xué)知識，更重要的是培養(yǎng)他們對待科研的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度和治學(xué)精神。他還為多名博士生創(chuàng)造了赴發(fā)達(dá)國家學(xué)習(xí)交流的機(jī)會，幫助學(xué)生們逐漸開闊國際視野。目前他組里的3名博士后均自歐美名校畢業(yè)，其中Simion博士2016年剛剛從英國劍橋大學(xué)天文系畢業(yè)。沈俊太的研究不斷吸引優(yōu)秀人才加入其團(tuán)隊(duì)，這也讓研究團(tuán)隊(duì)的實(shí)力進(jìn)一步得到提升，他的團(tuán)組也榮獲2015年上海市科技系統(tǒng)青年五四集體獎?wù)隆?/p>

和想象中不同，天文工作其實(shí)是極其枯燥的，科研工作者每天面對的是電腦中大量的數(shù)據(jù)和繁瑣的計(jì)算。然而，沈俊太卻似乎總能盡情地“享受”其中。生活中的他幽默風(fēng)趣，喜歡自嘲。他著迷《辛普森一家》中在核電廠工作的Homer，“他常常為自己可愛的愚蠢而埋單，但卻具有驚人的自嘲精神”。除了自身過硬的專業(yè)能力，也正是他的這種獨(dú)特性格使自己在神秘而又繁雜的天文工作中游刃有余。