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《宇宙地图》:解读地球的宇宙坐标,解密天文学家的真实工作(宇宙地图)书评

你相信宇宙中除了人类之外,还存在其他智慧生命吗?

尽管目前没有明确证据证明外星生命的存在,科学家们仍孜孜不倦地寻找外星生命。

1972年3月2日美国宇航局(NASA)发射了一艘非载人航天器,先驱者10号。这艘航天器不仅是探索木星周围环境、太阳风、宇宙射线的研究者,还是携带了重要信息的“信使”。先驱者10号上的这封信是镀金铝板制成的一块牌匾,大小为六乘九英寸(15.2乘22.8厘米)。这块牌匾描绘了一男一女两个裸体的地球人、太阳系以及太阳在太空中位置的示意图。
先驱者10号的镀金铝制牌匾

此后,美国宇航局发射的先驱者11号、旅行者1号、旅行者2号都携带了与地球有关的重要信息,希望外星生命看到这些能联系位于地球的人类。

不过,这些传递到太空的信息,有一部分已经过时了。因为2014年,科学家们测算出了更精确的、地球在宇宙中的坐标——我们地球位于拉尼亚凯亚超星系团。

天文学家最新发现的拉尼亚凯亚超星系团是我们目前已知的、人类所处的最大的宇宙结构。太阳系甚至银河系在这个超星系团中都只是沧海一粟。

拉尼亚凯亚超星系团内包含约10万个星系。从拉尼亚凯亚的一边到另一边的距离约为5亿光年。它的中心距离我们有2.5亿光年。拉尼亚凯亚的质量大约是太阳的1017倍,或者是银河系的10万倍。

下图是拉尼亚凯亚的可视化结果。

白色是拉尼亚凯亚的星系;灰色是属于其他星系团的星系。白色的小点表示星系;红橙色表示物质密度最高;蓝色到深蓝色是巨洞区域。橙色的线把拉尼亚凯亚超星系团的区域和其他区域分割开来;横穿图中的深色长条表示被我们的星系挡住的看不到的区域。
拉尼亚凯亚的可视化结果

有了这个宇宙新地址之后,我们再向外星人介绍地球时可以说:你好!我来自地球。地球是拉尼亚凯亚超星系团中的银河系中的太阳系中的一颗行星。

地球宇宙坐标的精准定位归功于法国天体物理学家——海伦·库尔图瓦和她带领的研究团队。

不过,地球所处的宇宙位置并非海伦团队唯一的研究目的,宇宙的全景图以及吸引众多星系不断运动的引力源,都是海伦团队的研究内容。海伦把这些研究过程都写进了《宇宙地图》这本书。法国天文学协会《航空航天》杂志把《宇宙地图》评选为“2017年年度最佳天文学图书”。


《宇宙地图》的作者——海伦·库尔图瓦

海伦·库尔图瓦出生于1970年,是法国天体物理学家、法国骑士学院的院士,也是法兰西大学学院的高级成员。

2017年,她被美国《名利场》杂志评选为法国最具影响力的50名人物之一。2018年,她获得法国科学影响力奖,并被外交部当选为年度最有影响力的法国科学家。
海伦·库尔图瓦

海伦最著名的研究成果是领导并参与了名为拉尼亚凯亚超星系团的发现。这个超星系团的发现耗时20多年。海伦是怎么走上探索超星系团之路的呢?

1992年,海伦以研究生身份在里昂天文台实习时,看到了银河系之外存在着“上千个巨大的星系,使得天空像是高峰时拥堵的道路一样”。这段实习经历开启了海伦对银河系外宇宙的兴趣。

当时,有些科学家发现:银河系和它周围的其他星系,在宇宙中并非静止不动,而好像被什么吸引着,以每秒几百千米的速度不断移动。这个吸引众多星系的引力源头被命名为“巨引源”。但受地球所在位置和观测手段的限制,当时的科学家无法证实巨引源的存在。

看到关于巨引源的研究之后,23岁的海伦确定了博士研究课题:制作宇宙的动态图,找到星系移动的相关区域,从而测算出巨引源的位置。海伦的这个决定,让她为此付出了20多年的努力。2014年9月4日,海伦44岁时,她和团队的研究成果之一——目前已知的最大的宇宙结构:拉尼亚凯亚超星系团,发表在《自然》杂志。(拉尼亚凯亚:夏威夷语无尽的天空)这个发现被法国《研究》杂志评选为“2014年改变世界的十大发现”之一。

《宇宙地图》中汇集了海伦20多年研究过程中的点点滴滴,不过令我印象深刻的内容却不是她数十年如一日,攻克了一个个难题,最终完成了年轻时的研究课题(其实是因为看不太懂,微笑脸),而是她描述的天体理物理学家的日常工作。因为海伦记录的天文学家的真实生活,和科幻电影中呈现的相差甚远。


天文家的工作≠一个人的研究

科幻电影中出现过很多天文学家形象。电影《接触未来》中朱迪·福斯特饰演了一位痴迷于接收外太空信号以寻找外星文明的天文学家。影片的前半段中,她几乎是一个人“单打独斗”地进行着观测、计算、研究,来证明宇宙中除了人类之外还有其他智慧生命。

电影《接触未来》截图

但《宇宙地图》描述的天文学家的工作却说明:天文学家无法“孤军奋战”取得研究成果。因为宇宙广袤辽阔,天文学家想找出“放之四海而皆准”的宇宙定律,需要观测众多星体并进行海量计算。这些数量巨大的工作,一个人根本无法完成。

海伦和团队发现拉尼亚凯亚超星系团之前,观测了覆盖半径可达3.5亿光年的8000个星系,并计算出了这些星系的运动速度。这些星系的观测和数据处理工作,还只是整体研究工作的一部分而已。

由于银河系遮挡了我们的视线,海伦和团队无法直接观测银河系“身后”的宇宙,只能观测到某些星系的部分数据。为了取得这一区域的星系运动,海伦邀请了希伯来大学的教授耶胡达·霍夫曼加入团队。他能借助现有星系的一部分数据,推演出整个星系的运动。

最终让海量数据成为图片,直观地呈现在众人眼前的是另一位科学家——法国的理论物理学家丹尼尔·波马雷德。他发明了一种有着100000多行代码的数据可视化程序,能把大众看不懂的枯燥数据转化成清晰、准确的宇宙图片。

负责处理海量数据建立数据库,进行数据统一工作的是布兰特·塔利。在这个四人团队中,海伦主要负责的是观测星系并去除无用数据和分析观测数据。此外,团队中还有来自世界各地的其他科学家,共计40多人。

团队主要成员
团队全体成员

最终我们看到的拉尼亚凯亚超星系团图片,就是40多人组成的研究团队协同合作的成果。


天文学家的工作≠观测+超级复杂的数学计算

提到天文学家的工作,很多人(我)会觉得天文学家的工作等于,晚上去天文台用天文望远镜观测星空,白天根据观测数据进行复杂计算。

科幻电影里的天文学家几乎都是这样的。比如:《星际穿越》中杰西卡·查斯坦饰演的墨菲。她身后复杂的运算公式似乎为了科幻电影里天文学家出场的标配。

《星际穿越》中的墨菲

但天文学家的真实工作却没有这么“理想化”。因为她们、他们有时候也不得不做一些技术含量不高的繁琐工作。

海伦在《宇宙地图》中提到,为了节省观测时间,同时记录多个星系的光谱图,她需要自己制作复杂的观测“设备”。

首先,海伦需要确定太空中某一区域中80个椭圆星系的定位。 接下来,海伦要把这些星系定位誊写到一块透明玻璃板上。 然后,她要给这块板子每一个星系的对应位置,贴上一块直径2毫米的棱镜,并在星系对应位置再贴上长11米,直径0.1毫米的光纤。这块棱镜能把星系发出的光反射到光纤。光纤会和一个能同时记录80个星系光谱的仪器相连,记录星系光谱。 最后,海伦需要把这些光纤和位于望远镜下的星系光谱记录仪相连。

如果你认为海伦只是用胶水粘贴东西,没什么麻烦的。你可以试试用胶水做水晶头饰。把图片中这些亮闪闪的水晶颗粒粘贴在缎带上,一点也不容易,或者可以说太麻烦了。因为如果胶水涂多了,胶水会淹没水晶颗粒;胶水涂少了,水晶颗粒根本粘不住。而海伦要粘贴的棱镜和光纤都比这些水晶颗粒的直径小。

所以,海伦几乎要花上一整个下午,才只能粘贴好一块板子。而为了在观测条件良好的晴天能多观测,海伦通常会提前准备两块板子。不过,制作观测板好像还不是最麻烦的。我感觉,使用这些板子观测更麻烦。

不信你看,海伦在夜晚观测时需要做的事情:

要用20到30分钟调整望远镜,抵消地球自转给观测星系带来的位置偏移,确保观测的星系和望远镜处在同一条直线上; 到屋顶看看会不会有高层云挡住观测视线; 刚才提到了第二块观测要用的玻璃板,这块板子就是海伦利用夜间观测的间隙制作的。 还有,海伦需要评估这次观测获得的数据是否充足,如果数据够多,第二天就开启新区域的观测;如果数据不够,第二天还需要继续。

这还没完,观测了一晚上之后,她还需要把这次观测获得的原始数据进行初次处理。

这些是23岁时海伦工作的常态。23岁时,她差不过一整年都在澳大利亚做着类似的工作。看完之后,我最大的感受就是:天文学家是一项适合数学好、有耐心、心细手巧的夜猫子的工作。


天文学家≠随时可以使用天文望远镜

看《宇宙地图》之前,我一直以为天文望远镜是天文学家的基本工作用具,他们想什么时候用就能什么时候用。看完《宇宙地图》之后,我才知道我这个想法太天真了。因为大部分天文望远镜对天文学家不是无限制开放的。天文学家申请天文望远镜使用权的竞争程度和高考大省的考生考进一流大学一样激烈。

海伦讲述了她申请位于美国西维吉尼亚州的世界最大的全可动射电望远镜——100米口径的绿岸望远镜的过程。绿岸望远镜每年只有两次对天文学家开放:一次夏季观测,一次冬季观测。天文学家需要提交申请,获得批准后才能使用。

绿岸望远镜

绿岸望远镜不仅观测时间只有两次,提交使用申请的时间也只有两次。

天文学家申请时需要“提交一份描述预期科研影响的研究提案,来申请预留相应的观测时间,并证明能够最优化利用使用绿岸望远镜得到的观测结果。”由于申请者都是全世界最顶尖科学家,所以竞争异常激烈。由于申请每半年才开放一次。所以一旦申请被拒绝,天文学家们要等上半年才能再次申请,科研项目可能因此推迟一年之久。

幸运的是,海伦团队的项目获得了使用权,而且分到了观测时间比较多的观测组。也就是说,海伦团队不是独享绿岸望远镜的使用权,而是和其他科学家一起使用。为了争取更多的观测时间,海伦团队利用其他天文学家无法观测的时候,比如降雪量大时,开展观测。而为了节省去天文台除雪的时间,海伦他们都是挑选受降雪影响最小的观测对象,以便让“这个直径110米、重8500吨的天文望远镜”面对并垂直于太阳,不受降雪对观测的影响。如果不这样他们还要去天文台除雪。你能想到天文学家的工作还有除雪吗?


《宇宙地图》让我们看到了天文学家的真实工作状态:复杂、繁琐、辛苦,也让我们了解到天文工作虽然少不了物理学、数学等学科知识,但更少不了团队合作和坚持不懈的精神。

海伦和团队的成就不仅为地球绘制出了宇宙定位,还为我们诠释了成功=能力+坚持+合作。

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