什么是天文以及如何成为一个天文学家

文章节选并翻译(译文有微调)自美国天文学会 (American Astronomical Society) 写于2005年的出版物《A New Universe to Discover – A Guide to Careers in Astronomy》( free for distribution)。之所以翻译这篇文章,是想让更多还不了解天文学的人认识天文,并且让对天文感兴趣的朋友们获得对一些对他们有所帮助的信息。   什么是天文和天体物理? 自从1609年伽利略将他最新发明的一英尺长的小型单筒折射望远镜对准月球之后,大家所熟识的天文学家的形象就成了一个透过望远镜观察宇宙的科学家。但实际上,现如今的天文学家们几乎没有人会直接用肉眼通过望远镜直接观察星空。尽管天文数据的主要来源仍旧是来自宇宙空间的光子,但因为如今的科学技术的发展,天文学家们收集和分析这些光子的工具已经十分复杂,用肉眼直接观察就显得没有那么必要了。 尽管有这些高科技装置,二十一世纪的天文学家试图回答的仍旧是当初困扰伽利略的那些基本的问题:宇宙万物是如何运行的?宇宙从何而来? 辞典(原文中是Webster’s韦氏词典)对“天文学”的定义为:研究地球大气层外的物质宇宙的一门自然科学。这个定义所涵盖的范围足够广阔,不仅包含了例如艾萨克•牛顿、阿尔伯特•爱因斯坦以及斯蒂芬•霍金等理论物理学家,还包括了尼古拉斯•哥白尼、约翰内斯•开普勒、弗雷德•霍伊尔、埃德温•哈勃、卡尔•萨根等天文学家。实际上,如今人们常常将“天文学”和“天体物理学”这两次混用。 怎么称呼天文学家们并不重要,他们孜孜不倦的寻找着许多迷人且十分基础的问题的答案。这些问题包括: 地外生命存在吗? 太阳和行星是怎么形成的? 恒星的年龄是多少? 到底什么是暗物质和暗能量? 宇宙是如何起源的?又将如何终结? 类似于物理和化学,天文学是一门研究非生命物体的科学。天文学家通过观测收集数据,并且用理论来解释观测结果。天文学家们不同于物理学家和化学家,后两者可以建造实验室并且在其中进行他们设计的各种实验,而天文学家只能依靠“被动”的观测来研究。不过,天文学家中研究行星的一部分人是幸运的例外,他们可以通过发送探测器到近邻的天体(例如月球)甚至发射登陆探测车在火星上采集标来开展研究工作。 宇宙是如此的广阔,在其中存在如此多的秘密,关于宇宙的问题数不尽。在最近仅仅几年间,人们发现了宇宙的加速膨胀并且推测出暗能量的存在、绘制了宇宙的大尺度结构、 或得了宇宙早期的图像、发射了火星探测车、近距离的通过轨道探测器研究了土星。这些新的发现为我们揭示了一个多姿多彩的宇宙,其广阔超越任何人的想象。同时,也给未来的天文学家们提出了更多新的挑战。   天文学家用什么做研究? 在二十世纪的大多数时间里,天文望远镜技术发展缓慢。尽管天文望远镜的发展步履稳健,但光学望远镜似乎并没有大的进步,直到1976年,位于美国帕拉马山(Palomar Mountain)的口径为5.1米的海尔(Hale)望远镜,在其运行的第28个年头,仍然稳坐其世界第一大光学望远镜的宝座。 但从1976年起,望远镜的技术有了爆炸式的发展,极大地提高了如今望远镜的观测极限,同时也深刻的改变了天文学的发展。这些新的观测设备给天文学家们研究宇宙提供了新的窗口。 在地面上 随着材料科学、光学以及计算机技术的发展,地面望远镜获得了爆炸式的发展,许多口径更大的地基望远镜被建造了出来。目前为止,最大的几个光学望远镜之一,口径为十米的凯克(KECK)双子坐落在夏威夷。此外,还有很多主镜面口径超过五米的光学望远镜分布在世界各地,他们都赶超了了海尔望远镜。此外,在未来的十几年里要建成的三十米口径的TMT望远镜将成为世界最大的光学望远镜(中国为其主要参与成员国)。 自适应光学提升了这些现代巨型望远镜的“可视能力”且极大地修正了地球大气抖动引起的星象闪烁。或许,在不久的将来,天文学家可以借助此项技术,通过望远镜观测到系外行星。 与此同时,在例如射电、红外和微波等其他波段工作的天文学家们也在不断发展他们的观测设备。坐落于智利阿塔卡马的地球上最大的(亚)毫米波干涉阵列ALMA刚刚竣工,它由54面口径12米、10面口径为7米的射电望远镜构成。世界上最大的单天线望远镜,位于中国贵州的口径500米的FAST望远镜今年刚刚竣工。工作在中远红外波段的SOFIA望远镜被假设在一架 波音747SP 飞机上,在平流层进行观测。此外,位于南极的地底深处中微子探测装置Ice Cube也在2010年建造完成,它由大概5000个探测器阵列构成,用来观测研究宇宙中极高能量的天文物理现象。此外,最近LIGO探测器首次宣布探测到引力波,不仅验证了爱因斯坦的广义相对论,也为我们打开了天体物理研究的新的大门,具有划时代的意义。 上述例子里提到的这些天文观测设备将在未来帮助我们拓展新的知识疆界。天文学家们将用这些设备研究恒星的化学组成、寻找系外行星、研究系外行星的大气成分、研究星系形成的历史和演化等等。这些顶尖的天文望远镜或许可以帮助天文学家解决那些悬而未决的科学难题:第一批星系是怎么形成的?为什么宇宙中大部分的质量(暗物质)是不可见的?到底什么是暗物质?宇宙将永远膨胀下去吗? 在近地空间 空间望远镜不受地球大气的影响,因此可以获得比地面望远镜更好的成像质量。我们或多或少都曾为哈勃空间望远镜所拍摄的精美图片感到震撼。其他的空间望远镜主要工作在那些被地球大气所遮挡的电磁波段,因为在地面上我们无法进行观测,因此只能通过空间望远镜来开展研究。这些波段包括:伽马射线、X射线、紫外线、(中、远)红外。 哈勃空间望远镜以及钱德拉X射线望远镜、斯必泽红外空间望远镜发现了最遥远的超新星、拓展了我们对恒星形成过程的认知、帮助我们研究黑洞、协助我们测量了宇宙的大小。WMAP、Planck等帮助我们绘制了宇宙极早期的图像–宇宙微波背景辐射,并且通过精确的观测精细的限制了宇宙学模型的各个参数。2018年,美国NASA建造的JWST望远镜将发射升空,超越哈勃空间望远镜成为最大的空间望远镜。它将主要工作在近红外波段,将为我们提供很多突破性的重大发现。此外,我国已发射的“悟空”暗物质粒子探测卫星探测器主要用于观测研究宇宙中的一些高能物理过程,帮助我们了解暗物质的本质。今年,我国还发射了首台空间望远镜,即硬X射线调制望远镜(HXMT)。它实现了我国空间天文望远镜零的突破,同时将帮助我们研究黑洞,中子星、伽马暴等高能天体和物理现象。 计算机技术 从超级计算机到笔记本电脑,计算机也在不断革新着天文的发展。回顾十九世纪六七十年代,无论是专业用途还是个人使用方面,天文学家都是第一批拥抱计算机技术的人群之一。如今的天文学家每天常常在电脑前工作数小时,分析处理数据、监测和遥控望远镜、撰写论文、阅读文献或者是在搜寻建立数据库等等。 天文学家们使用强大的超级计算机模拟喷流、黑洞、星系碰撞过程、超新星爆发、早期宇宙的演化等等。天文学界家喻户晓的ADS(Astrophysics Data System)方便的为我们提供天文期刊的数据库,方便查询、下载和阅读。大部分空间望远镜和地面望远镜的观测数据被存储在数据库中,方便天文学家们通过网络访问下载。这其中很多数据都是对所有人公开的,任何人都可以访问下载。虚拟天文台VO(Virtual Observatory)的发展有利地整合了各个望远镜的观测资源,方便天文学家和天文爱好者们访问天空中个部分天区不同观测波段的数据资源。…

Notes on installation of TiRiFiC on MacOS

Here is a small note on installing the package TiRiFiC on MacOS 10.12.6.  Here is a short introduction from its official webpage: Tilted Ring Fitting Code (TiRiFiC) is a computer program to construct simulated (high-resolution) astronomical spectroscopic 3d-observations (data cubes) of simple kinematical- and morphological models of rotating (galactic) disks. It is possible to automatically optimise the parametrisations of…

雨滴在思考,上帝在发笑。

    大街上行人匆匆,色彩缤纷艳丽的衣裙随风散成了夏初的花瓣,将一切模糊成为一种暧昧的味道。巴黎第2区的街道上人们行色匆匆,可以看到一对对牵着手的男男女女们,散发出无比幸福甜蜜的荷尔蒙,整幅画面美丽的刺眼。雨一阵一阵的,伞总显得多余,却必不可少。我就这样,坐在窗边,看着路上的行人,痴痴发呆。少有的宁静,内心嘈杂之间的片刻。     昨夜看了一部关于Aaron Swartz的纪录片,心理乱糟糟的。脑子里不停地浮现Mark说的“connect the world”,以及Aaron说的“public domain”。有时候,我们随心所欲的使用着互联网,理所应当的认为它应该是怎样的体现着自由和共享,然而我们并未意识到,这种自由实际上也是由一些人付出了生命的代价捍卫而来的。仔细想想,科学家的论文被出版者拿来当商品买卖这一点本来就很令人惊讶。科学家的经费出自政府/个人机构的基金资助,而政府的钱又来源于税收,那么最终(受资助的)科学家研究的成果都是要让每个民众同等的享受到的(理想的情况下)。然而,在科学家往期刊投稿需要交版面费的前提下,这些期刊仍旧向读者收取高额的阅读费用,这无疑是在阻碍科学更广泛的传播。知识的权利似乎被集权在少数的几个大的出版机构手里,他们凭借着对阻断知识的自由传播而赚取利润。     很庆幸我们有arXiv这样的网站存在,使得科学家们可以更广泛的传播自己的科研成果,进行学术交流。而ApJ也将一年之前的文章全部公开。同时,我认为公开文章也是大趋势所在。作为人类共有的知识财富,阻碍其流通,且在其中赚取利润显得越发的不合理。虽然,期刊确实需要支持运营费以及组织审稿人,编辑等费用,但每个投稿人也在支付着高额的版面费。尤其是Nature集团的子刊们,漫天要价。     忙完了ALMA的观测申请,却越来越觉得自己真的是欠的太多了。到现在才开始用git对文档进行版本控制。以及,自己对于概率统计的知识还远远不够。这怎么能够是一个做天文观测的人能够妥协的现状呢?     虽然常常在思考生与死:很显然,生命很脆弱,生命很有限。我惧怕死亡,惧怕一切的湮灭,仿佛从来没有存在过一样。但又究竟该怎样的度过这么有限而又脆弱的一生呢?是被生活的琐碎所填充?亦或是自我麻醉,在二次元中寻找幻想里的慰藉?还是整天活在别人眼中,极力优化自己的外表,在社交网络上光鲜亮丽内心却无比空虚?亦或是忙碌的工作,不让自己去惧怕生命虚无的本质?     有时候,一个本来没有意义的事情,思考太多无益于领悟事情本身。     夜深了,我又该从梦境中醒来了。