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我在宇宙中考古
贵州文化网 发表于:2023-09-05 16:40:47 来源:《环球》杂志 作者: 点击: 评论:0

银拱下的郭守敬望远镜

 

  在茫茫星河中寻找极其稀有的宇宙化石,收集它们的光芒,分析它们的成分,然后反推这些古老星星诞生时的宇宙是什么模样——这就是我的研究工作,既像个考古学家,又像个侦探。

文/李海宁

编辑/胡艳芬

 

  我从事的职业是天文学研究;我关注的对象是银河系里上千万颗形色各异的星星,更准确地说,我追寻的是宇宙中最古老的星星;我的终极目标是,找到点亮宇宙的第一缕光。

  和许多从事天文研究的同行不一样,我小时候的理想是成为一名考古学家。后来机缘巧合,进入到同样酷炫的天文学领域。准备读博士研究生时,我发现竟然有“恒星考古”这个方向,兜兜转转,我以另一种方式实现了儿时的理想,成了一名“太空考古人”。而且我发现,在星空里考古的感觉居然相当不错,它带来的震撼也是难以想象的。

 

恒星考古,考的是啥?

  太阳是太阳系的大家长,也是太阳系最重要的成员。因为太阳,地球才有昼夜变换、四季更替,才能获得地球生命所需要的各种形式的能源。然而,在浩渺无际的宇宙中,这个人类所仰慕和赖以生存的太阳只是一颗再平凡不过的恒星,如果按辈分来算,要排到恒星界的第N代了。而恒星考古最关心的是恒星界的老祖宗们——宇宙中的第一代恒星和第二代恒星。

  根据现有的标准大爆炸理论,大约138亿年前,宇宙大爆炸产生了大量的氢、氦和极其微量的锂。在这样的环境下,第一代恒星诞生了,第一次点亮了整个宇宙。但可惜的是,第一代恒星个头庞大,比一百个太阳还要重,消耗能源的速度也异常惊人,所以都是“短命鬼”,只能活数百万年,我们目前还没有办法借助望远镜直接看到第一代恒星。最终,它们以绚烂而剧烈的超新星爆发结束了一生,将自己制造的各种新元素——碳、氮、氧、钙、铁、锌等等,抛射到四面八方的星际中,继续孕育它们的后代——第二代恒星。

  幸运的是,第二代恒星的个头比太阳还要小,因此能够一直活到今天,使我们有可能接收到它们的星光。由于从宇宙大爆炸到它们出生,时间间隔非常短,所以它们的年龄几乎和宇宙一样大。更重要的是,这些古老恒星有个非常厉害的本领,能够在自己的表面大气中保留出生地的特征信息。因此,通过分析这些古老恒星的性质和成分,我们就能推演出它们诞生时,也就是宇宙婴幼儿时期是什么模样,发生了哪些事情。这些古老的小星星就如同远古宇宙留下的化石,而通过它们追溯古早宇宙的过程和在地球上考古如出一辙,因此被称为“恒星考古”。

 

星海捞针,没那么浪漫

  在茫茫星河中寻找极其稀有的宇宙化石,收集它们的光芒,分析它们的成分,然后反推这些古老星星诞生时的宇宙是什么模样——这就是我的研究工作,既像个考古学家,又像个侦探。在许多人看来,这份工作既浪漫又酷炫。事实上呢?

  和在地球上寻找恐龙化石一样,要找到真正的宇宙化石,绝非易事。恒星考古就如同大海捞针,以太阳附近的空间为例,每20万颗恒星中,仅能找到一颗让我们心动的宇宙化石。没有“足够的缘分”,真的很难遇到自己心仪的“宇宙化石种子选手”。刚读研究生时,因为数据库不够好,耗费半年时间初筛候选体,连续处理大量的数据,最后也没能找到有价值的信息。

  不只是“海选”辛苦,接下来的“精挑”——对选出来的化石做高分辨率、高精度的光谱分析——更让人崩溃。动辄就是好几百颗星星,每一颗星都有好几百条谱线,每一条暗弱的谱线都要去细细测算。时不时还要推倒重来,反复分析。刚开始接触高分辨率光谱分析的那个学期,我甚至有一次在梦中因为遇到一条怎么都拟合不上的谱线被急醒。

  因为我们所研究的宇宙化石恒星非常遥远而暗弱,为了细致观察它们的光谱,需要用到世界上最大的光学望远镜。所以我常去的观测地点之一是夏威夷。集齐了“星辰大海”,这下终于可以实现浪漫了吧?起初我也是带着这样的憧憬出发的,可当我到达观测中转站,眼前却是另一番景象。

  每次观测,我都要一头扎在那座远离海滩和人群、海拔4000米的火山山头上。虽然关于浪漫的想象似乎破灭了,但我们其实格外珍惜每次观测机会,因为申请时间竞争异常激烈,我们必须与全世界同行通过自由竞争来申请使用权限,一般成功率也就百分之几。更重要的是,就算你披荆斩棘成功拿到了使用望远镜的机会,并不意味着你就一定能够顺利完成观测任务——因为对于观测天文学家来说,在光学波段观测,就和种庄稼一样,得靠天吃饭。

  第一次去夏威夷观测,我申请到两个观测夜,抵达的第二天却突然变天,观测无法继续。我有些沮丧,同行的合作者是有着20年经验的日本天文学家青木教授,他非常淡定地开导我:“没关系,观测经常会遇到这种情况。”

  第二年,我们再次相约夏威夷。第一天晚上观测到一半,突然云涌了上来,阴雨天持续到第二天。如果说上一次观测成功率是50%,那么这次只有25%。青木教授依然淡定,安慰我说:“别难过,我遇到过比这更糟糕的情况。”

  第三年,又一次来到夏威夷,观测当天上午艳阳高照,但下午3点多,老天爷突然开了个大玩笑,我们迎来了当地20多年难遇的春季暴雪!很快,大雪封山。这一次,我们甚至连观测室都没能进去,青木教授叹口气说:“这是我目前遇到过最糟糕的情况了。”而我,也因此获得了一个观测天文学者避之唯恐不及的诨名——“夏威夷雪神”。

  每当这时,我都不由得感叹:再浪漫的工作,具体到现实中的每分每秒,都是平凡而琐碎的。

 

有时,你还需要一点运气

  当然,夏威夷不只有雨雪交加,更有科学发现的惊喜。第二次观测的时候,由于天气迟迟不见好,大家只能坐在一起聊天,从宇宙起源一直聊到国际局势。凌晨3点,大家都有点撑不住了。为了挽救尬聊的场面,我号召大家:“来看看昨天的观测数据吧!”——“这颗不错”“这颗也挺老的”“嗯?”突然我发现有条光谱似乎有问题,这个地方不应该有这么强的吸收特征啊,当时的第一反应:不会是我们数据处理出问题了吧?经过现场3人轮番排查,终于排除了技术错误的可能性,证明我们看到的是一条真实存在的、超强的锂元素吸收线!

  探测到锂为何如此激动?其实,不仅对于人类来说锂是重要的微量元素,对于恒星来说,也是如此。而我们所关注的古老宇宙化石恒星尤其缺乏锂,在正常光谱中的锂线位置通常没有什么波动,但现在却强到出乎意料!

  于是,我第一时间给从事理论研究的合作者写了封邮件求解。等待回复的那几天,内心非常纠结:一方面希望能得到合理的解释,另一方面又暗暗希望他们解释不了。在随后的一段时间里,我们进行了各种测试,都没能完整地解释我们看到的奇异现象。美国《科学新闻》杂志第一时间对我们的发现进行了报道,让我开心了好几天。更让我兴奋的是,平时总是理论学家指导我们实测,这一次,我终于可以给理论学家制造一点“麻烦”了。

  从那之后,我们开始重点关注锂线特征,并且陆续挖到了好几颗这类奇特的“宇宙化石”。现在,我们正联手理论学家尝试解释,它们究竟是从远古宇宙的什么地方获取了那么多锂。这是一个现有理论无法解答的问题,如果有一天找到了答案,将有可能改写人类对于宇宙中元素起源的认知。

  在星空中“埋头考古”了10年,我们成功找到了将近400颗“宇宙化石”,它们诞生于130多亿年前,也组成了目前世界上最大的化石恒星数据库。这些“宇宙化石”恒星就像一把通往未知的钥匙,可以帮助我们追溯生命物质的宇宙起源,是我们解答这一宇宙终极问题的关键。而越多地了解这些宇宙起源的关键问题,我们越有能力更好地预测人类的未来。

  今天,恒星考古迎来了全新时代,除了郭守敬望远镜、盖亚探测器等大规模巡天设备开展全天扫描式的观测之外,我们还有詹姆斯·韦布空间望远镜等先进设备的助力,能够在更广阔的宇宙空间开展太空考古,也能看到更遥远、更古早的神秘宇宙,甚至在未来的某一天,我们将真的有能力亲眼看到婴幼儿时期的宇宙,接收到来自宇宙第一代恒星的光芒。

 

恒星考古还能抚慰心灵

  于我而言,恒星考古不仅是一项流程繁琐有挑战的技能,是我们窥探宇宙鸿蒙之初的一扇窗口,更是我们对周遭世界产生全新感知的路径:我们身上的每一个原子,氢、氧、碳、钙、氮、磷,和古老的“宇宙化石”几乎一模一样,都穿越了130多亿年的时空,从大爆炸而来,从宇宙的起源而来。我们每个人都来自星尘,这不是“鸡汤”文学,而是科学事实。

  某次,一位朋友因为工作上受挫而自我怀疑极度忧郁,我便用这套理论开导她:“你身体里大约有70%是水,对应8.6%的氢,它们全都是宇宙大爆炸产生的!所以,这个120斤的你就携带着差不多9斤来自大爆炸的氢!完全是具有宇宙意义的重要存在啊!”朋友听了,更难受了:“你才120斤呢!”

  玩笑归玩笑,对我来说,感受到这一点真的很酷。虽然无论是从质量、空间还是从时间演化的尺度上来说,人类相比宇宙都非常渺小,但是,从生命元素的起源上来说,我们每个人身体里都留下了宇宙大爆炸的证据,我们每个人对于宇宙都具有特殊的意义。我和你,每一个人都是。

  遥想年少的自己,一心要考古这个奇妙的世界,没想到一路“考”到了130多亿年前的时空,窥见了远古宇宙的奥秘。在今天,女博士不再是罕见的第三类人,能够仰望星空的女性越来越多,有机会实现梦想的女性也越来越多。有人在追逐自己心中最亮的星,也有人成为了他人心中最亮的星。所以,有梦就去追吧。而我,为了追寻宇宙第一缕光,会愈发坚定地在浩渺星空中一路考古下去。

  (作者系中国科学院国家天文台研究员)

 

来源:2023年9月6日出版的《环球》杂志 第18期

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