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…

ALMA探秘伽玛暴

    宇宙中最剧烈的“爆炸”当属伽玛暴(Gamma-Ray Burst,天文学中常将其简称为GRB)。我们知道光本质上就是电磁波,而实际上它具有一个很宽的波长范围,不同的波长对应不同类型的辐射。不同类型的辐射对应的能量也大不相同(如图1)。波长越短的电磁波携带的能量越多。在实际的研究当中,天文学家也主要依靠天体在各种波段发出的电磁波来研究这些遥远且触不可及的天体。图1中最右端,波长最短的电磁波即为伽玛射线,它主要产生于原子核内的物理作用,即原子核衰变和核反应。不难想象,如果有氢弹(或原子弹)爆炸,那么将会有大量的伽玛射线在短时间被释放出,即伽玛射线爆发。因此伽玛射线可以用于检测地球上的核试验。这也是伽玛射线探测的早期应用之一。     人们第一次探测到来自宇宙深处的伽玛暴完全属于机缘巧合。在1967年,当时处于冷战时期的美国为了侦测苏联和中国的核试验,发射了一系列人造卫星,将其命名为Vela(船帆座)。某天,Vela卫星突然接收到了短暂的,持续了几秒的伽玛射线突然增强的现象,在短短的几秒内卫星接收到的伽玛光子数突然有了3个数量级的提升。 但因为设备的限制,美军无法确认伽玛射线来自哪个方向,因此不能排除这些伽玛光子来自于地球的可能。后来他们经过谨慎的分析,排除了伽玛射线爆发来自地球的可能性,这是人们第一次观测到来自宇宙的伽玛射线爆发(如图2)。从此以后人们开始了对伽玛暴的详细研究,同时,人们对伽玛暴的起源众说纷纭,有人认为伽玛暴来自于彗星的相互碰撞、有人说其来自银河系内的中子星,还有人认为它和河外的超新星爆发有关。所有的这一切在1997年取得了突破性的进展,人们首次在伽玛暴之后的同一位置处探测到了X射线的辐射,称之为伽玛暴X射线余辉,之后又在光学甚至是射电波段探测到了类似的余辉现象。这些余辉的能量逐级递减,总体呈现出一个对数衰减的趋势。借助这些在伽玛射线以外的波段上发射出的余辉,人们对伽玛暴的物理模型有了更加精准的物理模型限制,同时也确认了伽玛暴的银河系外星系(河外星系)的起源。     此外,1991年发射的康普顿伽玛射线望远镜(Compton Gamma Ray Observatory,CGRO)上搭载了一个灵敏度非常高的仪器——BATSE(Burst and Transient Source Explorer,瞬时爆发源探测器)。科学家通过BATSE对伽玛暴来源的统计发现,伽玛暴在全天均匀分布(如图3),这个观测结果与银河系的盘状结构并不符合,这也印证了伽玛暴的银河系外起源,也与之后1997年天文学家建立的伽玛暴余辉的物理模型限制相符合。     天文学家通过观测发现,根据爆发的持续时间,伽玛暴大致可以分为两类。如图4所示,伽玛暴的持续时间分布呈现出2个峰值。处于红线左边的一类伽玛暴的持续时间短于2秒,我们将其称为短暴;而红线右边那部分所对应的伽玛暴持续时间长于2秒,称为长暴,占所有伽玛暴总数的70%左右。不过尽管天文学家将其称之为长暴,其持续时间也不过千秒的量级,最长也长不过一个小时,相比于其他的天文现象,可以说是“瞬息万变”。通过对这两种伽玛暴的研究,天文学家发现,短暴主要发生在椭圆星系当中(我们称其所在星系为“宿主星系”),它很可能来自于中子星的相互并和或者中子星和黑洞的并和。而长伽玛暴主要存在于恒星形成活动比较剧烈的盘状星系当中,常常伴随着大量超星新爆发的活动。天文学家们普遍认为伽玛暴是一类大质量恒星死亡时爆发产生的现象,所以长暴所处的星系应该是年轻的,正在进行着大量恒星形成活动的星系。因为恒星形成于分子云中,分子云包含了大量气体和尘埃,因此如果我们观测伽玛暴的宿主星系,应该能够看到大量的气体和尘埃。     前文提到过,在伽玛暴发生之后,会有在其他波段相继发生辐射的余辉现象。然而在实际观测中,天文学家发现有一些神秘的长伽玛暴并没有光学波段的余辉。大家猜测一种可能的原因是伽玛暴所处的环境含有大量尘埃,光子被尘埃吸收和散射,从而使观测者无法观测到光学波段的余辉现象。当然,天文学家也提出了一些其它的模型,例如一些天文学家认为由于伽玛暴处于宇宙高红移处,因此实际上我们观测到的光学余辉对应了其静止波段的紫外线辐射,这也可以解释光学波段余辉的神秘消失。     今年6月的《自然》(Nature)杂志上刊载了日本国立天文台的廿日出文洋(Hatsukade)研究员领导的研究小组关于伽玛暴的新发现。他们运用了目前世界上最强大的射电望远镜干涉阵列——阿塔卡玛(亚)毫米波射电望远镜干涉阵(Atacama Large Milimeter/submillimter Array,简称为ALMA)第一次观测到了长伽玛暴所在的宿主星系的尘埃和气体(因为气体和尘埃的辐射波段主要在毫米波和亚毫米波的辐射波段),而且得到了高分辨率的气体和尘埃辐射的图像。     其实廿日出文洋研究员带领的研究小组从2003年开始起就一直试图探测到伽玛暴宿主星系里的气体和尘埃,但他们得到的观测结果一直不理想。因为观测设备灵敏度的限制,使他们探测伽玛暴宿主星系内气体和尘埃的愿望屡屡落空。然而,借助于处于火力尚未全开的ALMA(在ALMA射电干涉阵运行初期,望远镜阵列中的66面天线只有一部分被使用),在只有24到27面天线参与观测的情况下,他们依旧只用了不到1小时的观测时间就探测到了伽玛暴宿主星系里气体和尘埃。可以想象,当ALMA的66面天线全部运行起来时,它将是如何的强大!为了详细了解和分析长暴的性质,特别是暗长暴,也就是前面提到的,其光学波段余辉不可见的那一类长暴的性质,作者选取了两个暗伽玛长暴(GRB 020819B和GRB 051022,前两位数字02和05代表年,中间两位代表月,后两位代表日,后面的字母代表序号)的宿主星系作为观测对象,利用ALMA对这两个星系进行观测。     图5显示了《自然》杂志刊出的论文里所发表的ALMA观测结果。这两个伽玛暴中GRB 020819B 的宿主星系引起了科学家们极大的兴趣。可以看到图中用红色十字叉丝标出的位置就是伽玛暴发生的位置,而在这个位置处,作者几乎没有看到任何的分子气体的辐射。根据左边那副蓝色的图片,气体都集中在靠近星系中心的区域,而在伽玛暴位置处是一片空白。中间那幅图显示了宿主星系中尘埃的辐射,可以清楚的看到在伽玛暴发生的区域有很强的尘埃辐射,说明那里存在着大量的尘埃。作者通过计算发现,伽玛暴所处的区域的气体和尘埃质量的比例跟星系中心的比例有着非常大的差异(10-100倍),同时也与其他普通的正在进行着恒星形成活动的星系大不一样。这说明了伽玛暴所处的环境是十分特殊的,那里蕴含着大量的尘埃,然而却包含了极少的分子气体。这样一个极端的气体尘埃质量比例是之前天文学家们从来没有想到的。这是一项令人无比惊讶的发现。     此文章的作者们在排除了其它一些可能之后猜测,因为伽玛暴所处的环境有剧烈的恒星形成活动,从而有很高强度的紫外线辐射。而分子气体在这样高强度的紫外线辐射下很容易瓦解掉,从而使气体比尘埃的比例远远低于该宿主星系的中心,也低于其他普通的星系。通过ALMA的观测,我们第一次发现了暗伽玛暴所处的环境是如此的与众不同(如图5下面的那副艺术家想象图,红色表示星际尘埃),那里有大量的尘埃,从而可以遮蔽伽玛暴在光学波段的余辉,这也就揭示了为什么暗伽玛暴在光学波段的余辉会神秘消失的原因。     值得一提的是,这项研究充分的展示了ALMA的威力。凭借极高的灵敏度和分辨率ALMA将在伽玛暴宿主星系的观测方面继续发挥不可替代的作用,同时也将进一步帮助我们解开伽玛暴起源的谜团。 (原文刊载于《天文爱好者》8月刊,稍有改动)