儿时的繁星闪闪，今天的人马座科研

　　我与天文学的渊源要从小时候跟妈妈一起乘凉时说起。上小学的时候，夏天的夜里经常跟妈妈一起在街上乘凉。街上的十字路口最为通风凉爽。妈妈喜欢坐在椅子上，边扇着蒲扇边，与邻居们话着家常，而我对她们的闲聊并不感兴趣。深夜站在那里，望向正南方天空，在靠近地平线的位置，总会有十几颗中等亮度的恒星引起我的注意，它们彼此近距离排列，附近亦没有亮度特别出众的恒星存在， 所以这一恒星组合在南方天空格外显眼。淡淡的银河也恰好穿过它们，流向南方地平线。我当时推断这肯定是某个星座，但手里没有星图，所以并不知道它的名字。
　　后来我知道那是人马座，古人称其为“南斗”，此星座低垂在南方低空，与北方天空鼎鼎大名的北斗七星遥遥相望。 那个时候天空实在是太干净了，以至于连高度较低的人马座都是那么瞩目。（高度较低，即靠近地平线，意味着星光要穿过更厚的大气层，大气的消光作用将使恒星看起来更暗淡一些。）我对天文学的热情就是从那时候逐渐培养起来的。

　　十几年后，我有幸进入燕园，攻读我一直向往的天文学专业，并成为北大星系研究课题组的一員。想不到儿时经常观看的人马座天区，其背后竟然隐藏着神奇的超级天体，它位居银河系C位，仿佛是整个银河系的统治者。人马座对于现代天文学的意义重大，因为那里正是银河系中心（银心）所在的位置。现代天文观测表明，每个星系中心都存在着超大质量黑洞，其中位于我们银河系中心的超大质量黑洞-人马座A*，质量相当于400多万个太阳。
　　对于黑洞的探索成为天文学研究最热门的领域之一。今年，我们课题组的一位美国合作者，曾经因对银河系中心黑洞—人马座A*的研究，获得了今年的诺贝尔物理学奖。 她的贡献是，通过研究银河系中心附近恒星的轨道特性，间接证实了银河系中心超大质量黑洞的存在。

不用做实验也没法做实验的理科

　　天文系规定研究生入学第一年的主要任务是上课，第二年，学生就在导师指导下开启科研生涯。
　　前沿科学研究从来都不是一件容易的事情，它意味着我们要提出全新的科学问题，攻破前人未能克服的困难。这与我们中学时期解答理科试题有很大不同，探索科学奥秘更像是一种基于大量深入学习之后的创作活动。在这一过程中，对于科研人员来说，攻坚克难的毅力、勇气和决心，是必不可少的。
　　鉴于科学研究的难处，导师通常会留给学生足够多的自由时间去思考与尝试。
　　在北大天文系，学生与导师之间通常每周或每两周见面一次，届时学生将向导师汇报最近的科研情况，包括已经取得的进展、遇到了什么问题、有什么困难等。导师给出合理的建议，但不可能对于学生遇到的任何一个问题给出具体的答案，毕竟导师为学生安排的研究方向都是全新的、前人从未做过的。导师主要在自己学生研究的大方向上起把控作用，从而避免学生在无谓的科学问题上钻牛角尖，浪费宝贵的时间和精力。
　　与其他物理类专业不同，天文学研究的目标都是宇宙中遥远而巨大的天体，其尺度和距离至少需要用光年作为计量单位。也就是说，这是一门无法做实验的学科，因为这些天体太遥远了。比如在北大天文系，绝大多数老师和同学研究的目标都是距离我们至少上亿光年外的各种星系，即使人类乘坐光速飞船，也要飞上个数亿年才能到达。人类只能利用大型地面望远镜和太空望远镜对它们进行观测拍摄，记录图像和光度的能量分布，比如对于指定天体，进行不同波段和曝光时间的拍摄。天文学家的主要任务则是使用计算机，借助一些数学、物理方法，以及一些天文软件包，来分析和处理这些观测数据，然后就可以直接获得图像中各种天体的物理参数，比如亮度、大小、距离、速度、轨道、表面温度、能谱分布（星体在各个波段的亮度）等。通过直接测量而获得的这些天体参数将有助于我们推断其他隐藏物理量，比如年龄、质量、恒星形成率、气体和尘埃性质等，下一步的工作将涉及挖掘更深层次的物理规律，比如天体的形成与演化、动力学和化学等，当然这取决于研究人员具体的科学目标。
　　由于天文学研究不需要做实验，而且大型望远镜的运行与维护有专业的技术人员来负责，因此笔记本电脑成为我们最重要的研究工具，如今便携式笔记本电脑的功能越来越强大，借此可以进行图像处理与分析、程序计算、数据模拟、论文写作等各类天文学研究所必不可少的环节。可以说，利用电脑足以实现90%以上的科研任务。因此北大天文系的研究工作，没有严格的办公场地限制，我们不会像其他专业的研究人员那样，局限在特定的实验室内。只要背包里有电脑，在任何场所我们都能静下心来工作。例如餐馆、咖啡店、宿舍、高速运行的地铁上、鸟兽出没的未名湖边、树林或者草坪上。自由的环境氛围，有利于缓解学生的压力，促进科学成果产出。我喜欢去办公室对面向阳侧的公共会议室工作， 那里阳光充足，窗外的银杏树在这个时节满树金黄，非常漂亮，再冲上一杯热咖啡，工作起来十分惬意也很有效率。
　　空间上自由的优势自新冠疫情暴发之后，显得尤为明显。就在其他科学领域的学生苦于无法回学校做实验、忧患延期毕业之际，我们的科学研究却进行得如火如荼。居家工作，借助网上视频举行会议、探讨科学问题， 即方便又高效。就拿我所在的课题组来说，疫情期间不少学生都取得了很大的项目推进。

　　如今，各大高校恢复正常的教学科研活动。天文系的学术活动在传统模式的基础上，也增加了线上渠道，使那些远在海外的学生和老师能够远程参与。经过疫情的洗礼，系里的工作方式变得更为弹性灵活，这是很大的进步。

学术活动就散落在紧张生活中

　　在科维理（北京大学科维理天文与天体物理研究所），每一个导师给自己学生安排的课题基本上都是一块难啃的骨头，学生都承受着发文章、毕业和找工作的压力。这里的老师就更忙了，可以说身兼数职，除了教学和科研工作之外，还要写文案申请国家自然基金的资助，并且要去世界各地交流、做报告，来寻求科研项目的国际合作。这有点像创业者。一些厉害的教授作为领导者，还需要处理一些行政事务。科维理是面向全球招聘教师的，能来这里的老师均是各研究领域的顶尖学者，都是工作狂人。个别导师的繁忙程度可以说比学生高100倍都不为过。我记得一位老师说吃完饭回来继续，就马上以百米冲刺的速度跑上电梯。这简直就是在与时间赛跑啊。
　　为了缓解人员的工作压力，校方和科维理所会尽量为我们提供宽松的科研环境。科维理的环境很美，它所在的朗润园是燕园中保存最为完好的古园林，主体部分由一个环形池塘（朗润湖）和中央岛屿（朗润岛）组成，这里同样已有数百年的历史，湖岸基本维持着原来的面貌。由于地处燕园最北端，平时人烟稀少，徜徉在其中，仿佛置身于世外桃源，又不乏厚重的历史文化底蕴，是校园里休闲散步的绝佳地点。
　　如果说校园（朗润园）为我们的科学研究提供了幽静秀美的外在自然环境，那么科维理所则扮演着人员之间的学术探讨和日常关系维护的载体角色。在这里，学术交流活动十分频繁，每周都会有来自世界各地的学者和学生来此交流访问。每周四请一位学者来做一场学术报告，是科维理所多年来的例行惯例，称之为 colloquium。但这种看似严肃的活动，却以十分轻松自由的形式开展。首先，所里会鼓励，但不强制必须参与，个人可以根据报告内容与个人研究方向的相关性来自主决定，而且来去自由，中途有事退场也没关系;其次，所里的行政人员，会提前准备很多甜点、水果和饮品，这样下面的人员可以边吃边听，营造轻松的氛围;最后，报告结束后，所里的老师会带报告人去附近的餐馆吃晚宴（dinner），学生可以自愿参加，一切费用由所里报销。
　　每周的Lunch talk， 是一种规模更小的学术活动，所里会邀请报告人在中午时做一个报告，由于正值吃饭时间，所里会为听众准备免费的午餐。报告之前，每个人会收到群邮件，自己选择荤餐，还是素餐，然后由行政人员负责下单。 由于可以愉快地边听边吃，所以这种活动十分受欢迎。
　　研究生之间也有学术交流活动，同样是以报告的形式。相关的负责人会邀请所里的一些博士后或者高年级学生来讲一讲最近的工作进展，也会请一些其他科研机构的学生过来讲。报告时间是在傍晚，所里同样会提供晚餐。这一活动称之为 Lunch discussion 或者 Dinner talk。
　　那遥远的星团，你到底如何演化？
　　读研期间，导师给我安排的课题是研究近邻星系中的年轻大质量星团。众所周知，我们的太阳系隶属于银河系，而银河系是一个异常庞大的天体系统，包含上千亿颗恒星（太阳就是其中一颗很普通的恒星），银河系整体呈盘状结构，其成员星的运行由万有引力主导，可以说都在围绕银河系中心运转，我们的太阳系仅处于这个“大盘子”的边缘位置。
　　尽管银河系包含如此多的天体，但对于宇宙来说，它就像一块漂浮在太空中的小小“岛屿”，其周围还有很多类似的“岛屿”，它们充斥着整个宇宙，而我所研究的近邻星系说白了就是离我们银河系比较近的其他星系。
　　不识庐山真面目，只缘身在此山中。由于我们身处银河系中，所以无法看清自己所在星系的全貌。 但借助于大型天文望远镜，我们可以看清近邻星系的样子，进而研究它们的结构、物理性质以及形成和演化，这将有助我们反推银河系的样子。 研究近邻星系的主要障碍是距离，虽说是“近邻”，但距离我们通常都在3000万光年以上，对于人类来说可望而不可及。银河系的直径约为10万光年，把地球放在星系尺度下比较，实在是太过渺小了。由于这些“近邻”星系太过遥远，人类肉眼无法在夜空中看到它们，必须用大型天文望远镜对其进行观测研究。
　　星团是存在于星系中的一种天体系统，顾名思义，就是很多恒星聚集在一起，由相互之间的引力维持。成员星的数量由几千颗（疏散星团）到几十万颗（球状星团）不等，年龄范围在数千万年（疏散星团）到100亿年（球状星团）之间。所以我所研究的“年轻大质量”星团就是那种整体年龄在数千万至数亿年间、由几万到几十万颗恒星组成的引力聚合体。从天体物理学角度来看，它们算是才形成不久。

　　这种星团在银河系内较难发现，通常要在近邻星系中寻找。我的研究是基于哈勃太空望远镜所拍摄到的高分辨率星系图像数据。哈勃望远镜最大优势是在太空中观测天体，不会受到地球大气层的干扰，所以它的观测分辨率远远强于地面的大型望远镜。
　　由于距离遥远，即使在哈勃的观测下，这些星团也只是星系中的一块块延展的光斑，无法分辨其中的单颗恒星，因此只能研究它们的整体性质。
　　这类星团通常只在星系的特定部位出现，比如在旋臂和环核星爆环中。我的研究聚焦于环核星爆环（以下简称“星爆环”）中的那些年轻大质量星团。星爆环是宇宙中棒旋星系的子结构，其形成主要是由于星系棒在起作用。在星系棒的非对称引力场的作用下，星系外围的气体和尘埃沿着棒的边缘流向星系中心（即星系核），然而它们通常无法到达中心。在距离星系中心特定距离处，由于某种动力学共振的作用，气体尘埃的流向会逐渐改变，形成一个环绕星系核的尘埃气体环。随着星系外围的物质持续不断地沿着棒往里流，环中的物质密度逐渐增加，当达到一定的临界密度后，将引发大规模的恒星形成，整个环被恒星的光芒点亮，故名“星爆环”，其中“爆”寓意大量恒星短时间内爆发式出现。因此这里是寻找和研究年轻大质量星团的理想场所。星爆环靠近星系中心，运动速度快，且环中物质密度相比星系其他结构要高很多，因此这里的环境变化异常剧烈。我们的目的就是要研究这里的环境如何影响年轻星团的演化。
　　毕业后，我继续留在科维理做博士后研究，转为研究星系团，而非星团。星系团是由众多星系通过引力纽带聚集在一起的、尺度更为巨大的天体系统。相比星团，星系团的结构要复杂得多，而且距离更为遥远。
　　目前，我的研究正在有条不紊地进行中。这些年来，燕园和科维理给了我难得的追求自由与梦想的机会，这是我所收获的最大财富和幸运。
　　责任编辑：朴添勤