觀神秘宇宙 解星系之謎

徐芳芳

宇宙空間內存在一種密度無限大，體積卻無限小的天體，它就是神秘的“黑洞”。所有的物理定理遇到黑洞都會失效。這一神奇現象無疑引起眾多天文愛好者的好奇，施勇自是其中的一位。在近20年里，他一直致力于活動星系核和恒星形成研究，并取得諸多突破性成果。他成功獲得4項國際空間望遠鏡觀測計劃的支持，解決了活動星系核中塵埃環的觀測認證、宿主星系的恒星形成率的測量、經典恒星形成定律在低氣體密度下的重大缺陷以及化石星系恒星形成效率等關鍵性問題，先后在國際一流天文期刊發表高水平論文近20篇（第一作者），被國內外專家廣泛引用。

赴美科研十年活動星系核取突破

1980年，施勇出生在素有“魚米之鄉”之稱的浙江。年少時的他稟賦凜然，高考那年金榜題名，以優異的成績考取北京大學地球物理系。4年的青蔥歲月轉瞬即逝，20D3年施勇遠赴以觀測天文最為著名的美國亞利桑那大學天文系攻讀博士學位，隨后他又進入美國加州理工大學紅外研究中心任博士后。此行一去就是10年。在美國學習工作的10年間，施勇不僅接觸到很多世界一流的觀測設備，關注了世界研究前沿，更重要的學會了如何從事一項研究。

一直以來，施勇的主要研究方向是星系的形成和演化過程。作為現代天文學最熱門的研究課題之一，此方向所涉及到的各種繁復的物理過程賦予了它極大的科學挑戰性。施勇通過5年系統的博士學習及4年的博士后工作實踐，在活動星系核和恒星形成兩個方面均取得了具有一定國際影響力的科研成果。

大質量黑洞的吸積，即活動星系核，是星系形成和演化過程中一個重要的發展階段。對活動星系核的研究，就是理解大質量黑洞的吸積過程、吸積發生時的物理以及吸積是如何影響宿主星系的。活動星系核的統一模型首先提出于上世紀80年代末。作為統一活動星系核各種觀測現象的理論工具，統一模型為理解大質量黑洞的吸積過程提供了重要的理論框架。統一模型的重要假設就是在大質量黑洞周圍存在著一個由氣體和塵埃組成的環狀結構，然而這個結構的存在一直沒有被直接證明。施勇則通過研究黑洞的X射線消光強度（表征氣體柱密度）和紅外的消光強度（表征塵埃的柱密度），發現了兩者之間存在相關性。這個結果無疑為證明大質量黑洞周圍確實存在環狀結構提供了強有力的觀測證據：同時這個相關關系進一步表明了環狀結構里的氣體和塵埃的分布不是連續的，而是一片片的氣體和塵埃云。該工作已受到國際同行的廣泛關注，在2008年的天文和天體物理學報上有專門一整段文字介紹該工作及其所包含的物理意義。

隨著實踐的檢驗，活動星系核的統一模型在解釋活動星系核的各種觀測數據上獲得了巨大的成功。然而從2000年開始，有天文學家陸續發現了幾十個異常奇怪的活動星系核——它們在X射線波段沒有消光，但是光學上又看不到寬發射線。因此，這些天體一度被認作是對統一模型的極大挑戰。施勇在閱讀相關文章時，就設想通過spitzer望遠鏡觀測來驗證這類天體是否真的挑戰統一模型。在成功申請到spitzer望遠鏡觀測時間后，施勇開展了細致的研究，最終他發現這些天體中的絕大部分要么是X射線波段有嚴重的消光但沒被測量到，要么就是有很強的時變性。由此見得，這類天體其實跟統一模型理論是相符合的。論文一經發表，施勇就收到美國加州大學Aaron Barth教授的評價：“終于有人對這類天體作了系統性的認證”。

相較于射電寧靜活動星系核，射電強活動星系核的統一模型還需要考慮噴流的電磁輻射。于是，施勇通過spitzer望遠鏡的觀測，較早并系統性地確立了噴流的射電亮度和塵埃環的紅外亮度存在很好的相關性。這個相關關系表明噴流和塵埃環的電磁輻射能量都起源于大質量黑洞的吸積。為了進一步確立噴流的電磁輻射機制，他又利用spitzer紅外空間望遠鏡的高靈敏度和高空間分辨率觀測了臨近的FR1射電星系M87，并在噴流中的各個區域都測量到紅外發射，這表明極高能電子的存在，同時要求電子在噴流內部不斷地被加速。

在了解了大質量黑洞的吸積過程后，新的問題又隨之而來，黑洞在什么樣的星系里才會發生吸積7施勇試圖通過系統測量宿主星系的恒星形成率和恒星質量以尋求答案。

測量活動星系核宿主星系的恒星形成率為理解大質量黑洞吸積的物理條件提供了重要的觀測限制。這類測量也將有助于理解過去20年間天文學界最重大的發現之一，即大質量黑洞質量與星系核球質量之間的相關關系。這種關系暗示著黑洞的吸積和恒星形成是通過某種物理機制相互協調的。

為了理解和確定可能的潛在機制，第一步則要精確測量活動星系核里的恒星形成。然而，作為最活躍活動星系核的類星體，一直以來也都很難被測量到其恒星形成率，主要還是因為恒星形成的發射完全淹沒在黑洞自身的強輻射中。在以前的研究過程中，施勇發現類星體的紅外光譜中存在只有恒星形成才有的特性，即多環芳烴的輻射。于是，他利用這個特性系統地測量了臨近類星體（共200個天體）中的恒星形成，最終發現類星體的恒星形成率要高于一般星系的恒星形成率。

基于這個結果，施勇成功拿到了spitzer紅外空間望遠鏡25個小時的觀測時間。通過這次觀測，他進一步把研究延伸到8億年前的類星體，從而確定了類星體中恒星形成的宇宙演化。前后兩篇論文的重要性就在于較早地通過大樣本確立了類星體宿主星系有很高的恒星形成率，為星系理論模型提供了重要的觀測限制。后來，兩項工作受到國際同行的廣泛引用。

隨著研究的深入，施勇意識到對于黑洞吸積的研究主要集中在大質量宿主星系里，而缺乏對于低質量星系里黑洞吸積的了解。于是他利用巡天數據發現在低質量星系里也存在黑洞吸積現象，但發生的頻率要遠低于大質量星系，但在早期宇宙中發生的頻率又有所提高。這項研究可以表明，黑洞吸積發生的概率跟星系質量和宇宙時代兩者相關。

專注化石星系 國際先聲奪人

除了活動星系核，恒星形成也是施勇的研究方向之一。恒星形成的研究是為了理解星系形成和演化過程中氣體是如何塌縮形成新的恒星，換言之就是探究什么物理機制影響了恒星形成。

恒星形成定律用來描述恒星形成率和氣體質量密度之間的相關關系，是理解恒星形成重要的經驗工具，也被廣泛地應用于星系演化的理論研究。眾所周知，最著名的Kennicutt-Schmidt恒星形成定律通過3篇論文最終確立，但是這個定律存在著嚴重的缺陷，即不能解釋在低氣體密度條件下的恒星形成。施勇在研究星系的紅外光譜時卻偶然地發現了一個相關關系，隨后他通過嚴格地研究，定義了一個新的恒星形成定律。據施勇介紹，這個新定律只要在原來基礎上引入恒星質量密度，就可解決原先存在的嚴重缺陷。在天文和天體物理年度評論中曾有專門一句話強調這個新發現的定律是目前已知的最好定律，同時也已經被植入到著名的星系理論模型Galacticus中。

星系并合一度被認為是引發恒星形成最有效的機制。根據此機制推斷，從8億年前至今，宇宙的恒星形成率降低了10倍。然而對于星系并合在這個過程中起到的作用有很大的分歧。施勇利用當前Hubble空間望遠鏡最深曝光的數據改進了測量星系形狀的方法，研究表明8億年前的星系并合的比例被低估了近2倍。

在美國亞利桑那大學期間，施勇曾成功申請到Spitzer紅外空間望遠鏡上3個觀測項目。Spitzer望遠鏡是美國宇航局耗資8億美元打造的大型軌道天文臺計劃的最后一臺空間望遠鏡。這3個項目的觀測目標是研究活動星系核的紅外特性。2011年，在美國加州理工大學紅外研究中心任博士后期間，施勇又成功拿到Herschel紅外空間望遠鏡的用于研究恒星形成的觀測項目。Herschel望遠鏡是歐洲空間局建造的大型紅外空間望遠鏡，耗資10億歐元的Herschel望遠鏡作為空間科學“基石”項目，是歐空局研制的最為復雜的航天器。先后4個項目，從最初的想法到最后項目申請書的完成都是由施勇獨立完成，并且都被評為第一等優先項目。2013年，施勇結束了在美國的科研工作，以“青年千人計劃”身份回到祖國，落戶南京大學天文和空間科學學院。

基于歐洲航空局Herschel紅外空間望遠鏡觀測項目“極端貧金屬星系高空間分辨率的紅外圖像”的觀測數據，再結合其他已經公開的數據，施勇申請了國家自然科學基金面上項目“極端貧金屬星系：塵埃特性和恒星形成”，以系統性研究極端貧金屬星系（化石星系）的塵埃特性和恒星形成。“化石”星系是一類保留了宇宙原初星系的一些特性但又離我們比較近的天體，其鄰近性使得天文觀測成為可能。

正如考古學家探究人類的祖先，天文學家追溯天體的起源：第一代恒星是怎么形成的7在遙遠的130億年前，也就是宇宙大爆炸之后5億年左右，荒蕪貧瘠的宇宙，起源于大爆炸的“原初”氣體開始坍縮形成第一代恒星，照亮了原先黑暗的宇宙。這些遠古恒星是今天我們人類所生活的太陽系、銀河系的源頭。然而，我們對于遙遠的“祖先”知之甚少，因為早期恒星離我們如此之遠，它們的亮度如此之弱，以至于世界上最強大的望遠鏡都很難直接探測。因此，施勇另辟蹊徑，想到一種新方法，“就像考古學家考古一樣，我們先研究一下化石星系，從化石星系中可以得到一些線索從而還原出宇宙第一代星系是如何形成的。”正是利用這樣的星系，施勇首次從觀測上證實了低金屬豐度氣體極難形成恒星，該成果發表在國際頂級雜志《自然》上。

2016年3月，施勇率隊趕赴西班牙，進行為期10天的觀測任務。常言道“科研無坦途”，對于天文學者來說更是如此。他們先飛往德國，轉機時遇上飛機晚點，凌晨才抵達西班牙，又改坐大巴抵達觀測山腳下，后換坐纜車、鏟雪車，就這樣經過一路“折騰”，一行人才最終到達山頂。觀測地海拔3000米，加上旅途勞頓，隊員們都出現了嚴重的高原反應。他們來不及調整休息，立刻展開觀測行動——采用世界上最大的毫米波望遠鏡，連續8天，每晚12點至次日凌晨8點，每天8小時，又恰逢冬季最寒冷的時節，條件的艱苦程度可想而知。然而，大家團結一致，不畏艱辛，最終收獲了成功的觀測成果。當觀測信號慢慢出現時，興奮的神情爬上了每個人的臉龐，因為這是國際上首次在化石星系中觀測到分子氣體，該成果發表在《自然》子刊上。

俗話說好事成雙。不久后，施勇作為項目負責人申請到了屬于世界最好望遠鏡之一的智力ALMA望遠鏡的觀測時間。殊不知即使是成員國家申請通過率也不到20%，我國作為非成員國家，參與競爭就更加激烈。2016年有來自全世界的1500個申請，中標的難度可想而知。而施勇也坦言，確實不容易。盡管如此，他憑借著前沿的科研設想，加上嚴謹的論證，最終成功拿到了觀測時間，且屬最高級別。

如今回國4年，施勇不僅得到了項目資金支持，并與國際同行達成合作，科研工作一切都在有條不紊地進行之中，同時他也肩負起傳道授業解惑的責任，竭盡全力為大家提供資源、創造環境，以使團隊中的每位成員發展成為獨立優秀的研究人員。未來，施勇會帶領著自己這支強有力的科研團隊，在神秘的宇宙中探索更多的未知。