他在光年外考古恒星

文/金鳳

南京大學(xué)左滌江天文臺

2019年10月的一天，施勇剛結(jié)束全球飛行模式，坐在南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院的辦公室里，他回憶起最近的一次觀測經(jīng)歷。在西班牙內(nèi)華達(dá)山，他連續(xù)5天，每天4小時(shí)用30米口徑的毫米波望遠(yuǎn)鏡觀測黑洞周圍的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。遺憾的是趕上了大風(fēng)天，觀測幾乎沒有任何收獲。

在施勇看來，天文觀測就像舊時(shí)種地，靠天吃飯，收成不好是常有的事。只不過，施勇的“種地”環(huán)境有些艱苦，很多天文臺建在幾千米的高山上，他必須練就強(qiáng)健體魄，以克服高原反應(yīng)。

天文觀測雖然變幻莫測，但施勇總能在宇宙微弱的信號中，捕捉星系形成與演化的蛛絲馬跡。作為國家杰出青年科學(xué)基金獲得者，施勇曾首次證實(shí)“低金屬豐度氣體極難形成恒星”，首次在極端貧金屬星系中探測到一氧化碳?xì)怏w，還曾提出有關(guān)恒星形成的新定律。

證實(shí)天文學(xué)界一大猜想

“人類考古學(xué)家通過研究，想知道我們的祖先是誰。我們研究天文的人，也想知道宇宙第一代天體是怎么形成的，太陽的祖先長什么樣子。”一說起天文，施勇的神情就像個(gè)渴望探索世界的天真孩子。

自讀初中起，施勇便對各種物理現(xiàn)象感興趣。上高中時(shí)，他把老家書店里的各種物理競賽書都淘了個(gè)遍，并在全省物理奧賽中斬獲一等獎。

那時(shí)的他，每晚仰望星空，看到北極星和獵戶座，便會莫名興奮?！叭绻磥砟茏鰝€(gè)天文學(xué)家就好了?！备呷厴I(yè)后，他被保送至北京大學(xué)天文系。

2009年9月，施勇去了美國加州理工學(xué)院從事博士后研究。2013年3月，研究工作一結(jié)束，施勇想都沒想便回國入職了南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院。

宇宙中的恒星形成問題，是現(xiàn)代天文學(xué)重要的前沿研究領(lǐng)域之一。此前，已有結(jié)論表明，在宇宙早期，第一代恒星很難形成。但在觀測領(lǐng)域，由于觀測信號提取難度大，該結(jié)論一直未被證實(shí)。

現(xiàn)有方法行不通，施勇就另辟蹊徑，通過研究兩個(gè)近鄰貧金屬星系，他發(fā)現(xiàn)它們的恒星出生率比類銀河系星系的恒星出生率低約10～100倍。由此，施勇在國際上首次證實(shí)了第一代恒星的低出生率。

“如果直接測量星系的氣體和塵埃，誤差會比較大，但如果能確定塵埃和氣體的轉(zhuǎn)化因子，把這個(gè)轉(zhuǎn)化因子的弱信號提取出來，就能測量氣體。”施勇這一大膽的想法最終實(shí)現(xiàn)，研究成果發(fā)表在《自然》雜志中。有美國專家評價(jià)，在未來幾年，天文學(xué)家可以更深入理解貧金屬星系中的分子氣體和恒星形成。

看科幻電影也驗(yàn)證是否靠譜

每天跟數(shù)字、代碼打交道，讓施勇變得內(nèi)斂、理性，就連最愛的科幻片和科幻小說，也被他看成了教學(xué)片。

施勇看完《星際穿越》，經(jīng)計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，電影里的很多震撼畫面都是基于計(jì)算機(jī)模擬出來的結(jié)果，這讓他頗感興趣。

施勇

施勇也對電影《流浪地球》中用發(fā)動機(jī)推動地球的設(shè)想提出質(zhì)疑。電影中設(shè)定的情節(jié)是太陽急速衰老膨脹，人類為了自救，傾全球之力在地球表面建造上萬座發(fā)動機(jī)和轉(zhuǎn)向發(fā)動機(jī)，推動地球離開太陽系。“我計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，要想把地球推動，真不是幾萬個(gè)發(fā)動機(jī)能搞定的?！?/p>

施勇這股認(rèn)真勁兒，也讓他的合作者與學(xué)生受益匪淺。他的同事張智昱說：“施勇常能基于觀測數(shù)據(jù)提出多種假設(shè)，并提出不同的驗(yàn)證方法?！?/p>

施勇的學(xué)生李松霖，本科讀材料專業(yè)，大三時(shí)想換到天文專業(yè)，就給天文系的老師群發(fā)了郵件，咨詢轉(zhuǎn)專業(yè)需要的準(zhǔn)備?！昂芸欤揖褪盏搅耸├蠋煹幕匦?，他還把我的郵件轉(zhuǎn)給了相關(guān)老師，請他們幫忙?！崩钏闪卣f。

更巧的是，收到回信的第二天，李松霖就遇到了施勇，施勇又給他詳細(xì)介紹了天文專業(yè)，這讓李松霖吃了顆定心丸。

此后，李松霖在施勇的指導(dǎo)下完成了天文專業(yè)的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)，并順利保送至天文系讀研，“很感謝當(dāng)時(shí)施老師為我做的一切，更感謝他告訴我‘人還是要做自己熱愛的事情’?！?/p>

觀天的日子里處變不驚

與天文結(jié)緣后，施勇逐漸養(yǎng)成一幅處變不驚的性格?！皩τ谔煳膶W(xué)家來說，想拿到一流的觀測數(shù)據(jù)，就像一場前途未卜的賭博。”說這話時(shí)，他身體后仰，換了一個(gè)舒服的坐勢。

觀測的第一步必須要與國際同行競賽，爭取到使用望遠(yuǎn)鏡觀測的時(shí)間。觀測時(shí)間方面的競爭非常激烈，例如，目前比較昂貴的望遠(yuǎn)鏡——ALMA（阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠(yuǎn)鏡）只向非成員國的科學(xué)家開放約10個(gè)觀測名額，但申請人數(shù)可能在100位左右，這意味著申請成功率不到10%。

即使觀測時(shí)間申請成功，也要排隊(duì)半年才能輪到。如果不幸觀測的時(shí)候下雨或者天氣不好，那觀測就泡湯了。即便拿到了觀測數(shù)據(jù)，望遠(yuǎn)鏡是否能捕捉到想要的信號，也未可知。

有一次，為了證明恒星形成新定律，施勇申請使用美國加州帕拉瑪山天文臺的望遠(yuǎn)鏡，好不容易等到觀測那天，施勇卻發(fā)燒了。他硬是帶著39度的高燒，開車4小時(shí)上山觀測。

還有一次，施勇和一位學(xué)者赴西班牙觀測。兩人先后乘坐大巴、纜車、鏟雪車，輾轉(zhuǎn)到達(dá)觀測點(diǎn)所在的山頂。在海拔3000米處，兩人都出現(xiàn)了嚴(yán)重的高原反應(yīng)。但他們來不及休息與照顧自己，每晚從12點(diǎn)觀測到次日凌晨8點(diǎn)，連續(xù)8天，每天持續(xù)工作。

不過，這次艱辛的觀測，讓施勇在國際上首次在極端貧金屬星系中探測到一氧化碳?xì)怏w，該成果后來發(fā)表在《自然》雜志的子刊上。

回國6年，施勇的科研工作一直在有條不紊地進(jìn)行。如果想得到重要的成果，就要舍得花費(fèi)大量精力與時(shí)間，去尋找別人觀測不到的信號，施勇寧可犧牲寫論文的時(shí)間，也要寫觀測申請。今年，施勇一口氣又申請了5個(gè)望遠(yuǎn)鏡觀測時(shí)間，包括歐洲南方天文臺甚大望遠(yuǎn)鏡、美國射電干涉儀、澳大利亞國立大學(xué)2.3米光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和西班牙30米口徑毫米波望遠(yuǎn)鏡。他說只有不斷參與國際競爭，才能讓自己保持對科研的敏感。