“黑洞觀察家”，在漫天星河中凝視幽暗

武劍鋒

有太多的依據(jù)可以證明我們與古人仰望著同一片星空，無論是“今宵絕勝無人共，臥看星河盡意明”的清朗疏闊，還是“遲遲鐘鼓初長夜，耿耿星河欲曙天”的哀婉惆悵，都彰示出人類似乎已經(jīng)習(xí)慣于將情緒寄托給頭頂密布的繁星。關(guān)于這種深埋在我們骨髓中對于宇宙的向往，美國作家蒂莫斯·費里斯（Timothy Ferries）曾在作品中發(fā)表過獨到的見解：“從某種意義上而言，我們本來就是由恒星物質(zhì)創(chuàng)造的，它存在于我們的基因中，所以也可以說這是一種天然的好奇?！痹鴰缀螘r，廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院天文學(xué)系教授武劍鋒也是這樣一位有著強烈好奇心的“數(shù)星星的孩子”。他直言自己比較幸運，生逢科技騰飛的時代，觀星技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展無疑為他與所向往的宇宙之間搭建起了一座無形的橋梁。

由可見光到全電磁波段，再到引力波、中微子、宇宙射線等多信使觀測，由夜觀天象到理性分析宇宙緣起，人類經(jīng)過了漫長的探索時期，其中不乏許多里程碑式的驚艷時刻與名垂青史的大成之人，但卻沒有哪一位天文學(xué)家可以獨領(lǐng)發(fā)現(xiàn)黑洞的榮譽。這種時空曲率大到連光都無法逃脫的天體在長達(dá)20余年的時間中持續(xù)吸引著武劍鋒的注意?！昂诙吹降资鞘裁礃幼?？它從何而來？最終又將歸于哪里？”他用這3個西方哲學(xué)的永恒命題一遍遍拷問著夜空中無數(shù)神秘的星體。

星月皎潔，明河在心

武劍鋒與天體物理學(xué)的首次“照面”還要追溯到清華大學(xué)的課堂之上。1999年，他走入清華園就讀基礎(chǔ)科學(xué)專業(yè)本科，同時也開啟了自己人生中的全新追夢篇章。以無垠的時空和其中所有物質(zhì)為研究對象的物理學(xué)被武劍鋒奉為“理性思維的光輝”，值得他用盡心力去追尋。因此，頻繁往來于圖書館、教室之間“兩點一線”的生活軌跡并不讓他感到枯燥或是厭煩，反而對于天體物理學(xué)的接觸與研究總是重新勾起他孩提時代喜歡遠(yuǎn)眺星空的回憶，更堅定了他畢生追求的信念。也是在這份保留至今的興趣和信念的驅(qū)使下，繼續(xù)在天文與天體物理學(xué)專業(yè)攻讀博士學(xué)位的決定成為了必然。

當(dāng)正式完成天文學(xué)與物理學(xué)科的交會，成為一名有著良好理學(xué)基礎(chǔ)的天文研究者后，武劍鋒發(fā)現(xiàn)每顆星體其實都有著自己獨特的過往，自然法則和歷史偶然事件的共同作用雕琢著它們的命運，而人類在歷史的長河中拼盡了全力，目前卻也只拾得了一些真相的碎片。所以，距離發(fā)現(xiàn)新星、認(rèn)識宇宙，還有太長太遠(yuǎn)的道路要走，星月皎潔的光輝之下，廣闊天地仍大有所為。于是在攻讀博士學(xué)位期間，他將目光投向了被人類稱作“類星體”的特殊天體之中。

類星體與脈沖星、微波背景輻射和星際有機分子一道并稱為20世紀(jì)60年代天文學(xué)的“四大發(fā)現(xiàn)”。本質(zhì)上講，它們雖因看起來是“類似恒星的天體”而得名，但其實是活動星系核的一種，是星系中心超大質(zhì)量黑洞活躍吸積狀態(tài)的外在表現(xiàn)。中心黑洞的質(zhì)量往往在太陽的百萬倍以上。它們通過猛烈吞噬周圍氣體而生長，這些氣體在黑洞周圍形成一個盤狀結(jié)構(gòu)，稱為吸積盤。通常來講，類星體應(yīng)該是一類亮得讓人眼花繚亂的天體——I型類星體的紫外和光學(xué)波段的光譜中通常具有很強的寬發(fā)射線，但就在最近20年，人們發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個特殊的類星體，其寬發(fā)射線非常弱，發(fā)射線強度比典型的類星體甚至要低一個量級以上。長期以來，這種弱發(fā)射線的成因總是讓天文學(xué)家感到困惑不解。

作為博士研究生的武劍鋒卻對此給出了自己的解法。他創(chuàng)新性地采用多波段分析的方法，發(fā)現(xiàn)弱發(fā)射線類星體的平均X射線輻射強度也顯著弱于典型類星體，并由此建立了其特殊發(fā)射線性質(zhì)和特殊X射線性質(zhì)之間的相關(guān)性。隨后，武劍鋒與合作者一拍即合，進(jìn)一步提出“屏蔽氣體”模型，成功解釋了弱發(fā)射線類星體的特殊發(fā)射線性質(zhì)和X射線性質(zhì)。這一模型獲得了國際同行的廣泛關(guān)注和引用。后續(xù)研究還發(fā)現(xiàn)，弱發(fā)射線類星體很可能代表著超大質(zhì)量黑洞以極快的速度吸積周圍氣體（超越“愛丁頓極限”）的一種狀態(tài)。也就是說，此種類星體中的黑洞吞噬氣體的速度要比普通類星體快得多。在宇宙最早期的階段，此種特殊類星體的占比顯著高于之后的時期，因此弱發(fā)射線類星體的研究也恰好同時為揭示宇宙最早的超大質(zhì)量黑洞的生長規(guī)律提供了線索，結(jié)論具有重大意義。現(xiàn)在，武劍鋒正帶領(lǐng)團隊從X射線光變和亞毫米波觀測兩個新的角度進(jìn)一步定量限制弱發(fā)射線類星體的“屏蔽氣體”模型及它們和宿主星系的共同演化規(guī)律，以求更好地拓展人類認(rèn)知宇宙的視野。

其次，武劍鋒同樣沒有忽略對宇宙早期“射電燈塔”類星體的研究。具有明亮射電輻射的“射電噪類星體”具有高度準(zhǔn)直的相對論噴流，其蘊含的高能粒子以接近光速的速度綿延在數(shù)萬甚至數(shù)百萬光年的尺度上，這幾乎是宇宙中最高能的現(xiàn)象之一。不過，雖然X射線輻射是噴流的重要特征，但其產(chǎn)生機制一直是領(lǐng)域內(nèi)爭論的焦點。一般認(rèn)為，噴流X射線有兩種主要輻射機制——同步輻射自身的康普頓化和宇宙微波背景輻射的逆康普頓散射，但人們對哪種機制起主導(dǎo)作用仍然莫衷一是。因此，武劍鋒研究了宇宙早期高射電噪度的類星體，首次發(fā)現(xiàn)了這些類星體X射線輻射的超出現(xiàn)象，其相對X射線輻射強度大約是晚期宇宙同種類星體的3倍。用宇宙微波背景輻射的逆康普頓散射機制隨時間的演化能夠很好地解釋這一發(fā)現(xiàn)。盡管在更近鄰的宇宙，這一機制并不占有主導(dǎo)地位，但隨著紅移的增加，也就是推移到宇宙更早期，由于宇宙微波背景輻射能量密度的增加，這種機制產(chǎn)生的X射線輻射顯著增強并占據(jù)主導(dǎo)地位，因此宇宙早期噴流的X射線輻射會有超出。簡單而言就是，這一工作成功利用了這種機制的主導(dǎo)性，將宇宙不同時期的歷史聯(lián)系了起來，為人們還原了早期宇宙的部分風(fēng)貌。

凝視“深淵”，“打撈”真相

“我每到一個新的機構(gòu)工作，都會努力使我的科研領(lǐng)域再拓展一些?！眱啥卧谑澜珥敿壧煳膶W(xué)研究機構(gòu)——美國哈佛-史密松天體物理中心和密歇根大學(xué)的博士后研究經(jīng)歷讓武劍鋒有感而發(fā)。而得益于同仁的交流幫助與前輩的指導(dǎo)，他的科研領(lǐng)域也從研究黑洞擴展到了發(fā)現(xiàn)黑洞。

人類歷史上發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)存在的第一種黑洞，是恒星級黑洞，也就是大質(zhì)量恒星生命終點的產(chǎn)物。根據(jù)“黑洞無毛定理”，只需要質(zhì)量和自旋這兩個基本參數(shù)就可以完備地描述一個天體物理學(xué)中的黑洞（電荷通常認(rèn)為是0）。而在這兩個參數(shù)中，質(zhì)量是更為基本的那一個。因此，精確測量黑洞質(zhì)量自然變成了其他黑洞研究的前提?？梢源_定的是，如今通過電磁波段觀測被明確證認(rèn)的恒星級黑洞都存在于雙星系統(tǒng)中，即黑洞和一顆普通恒星（稱為伴星）相互繞轉(zhuǎn)組成的系統(tǒng)。但不幸的是，對于伴星為小質(zhì)量恒星（跟太陽類似或更小）的雙星，準(zhǔn)確測量其黑洞質(zhì)量一直是一個難題。其中的主要原因是黑洞周圍吸積盤所產(chǎn)生的輻射會污染來自伴星的輻射，從而使整個系統(tǒng)在光學(xué)波段出現(xiàn)額外的不規(guī)則光變，這就會為黑洞質(zhì)量的測量帶來顯著的誤差。武劍鋒在哈佛-史密松天體物理中心做博士后研究期間，首次使用了嚴(yán)格的光譜和測光觀測方式，通過光譜定出吸積盤的輻射占比，并利用這一占比修正測光得到的光變曲線，從而精確地測量出黑洞的質(zhì)量，并且他還將這種方法應(yīng)用于黑洞雙星Nova Muscae 1991（蒼蠅座新星），改正了前人對于其黑洞質(zhì)量的偏差，為今后的小質(zhì)量黑洞雙星的質(zhì)量測量提供了范例。

據(jù)武劍鋒介紹，迄今在銀河系中已發(fā)現(xiàn)并認(rèn)證的黑洞雙星只占理論預(yù)言數(shù)目的“冰山一角”?！斑@說明傳統(tǒng)搜尋黑洞雙星的方法效率較低，還有眾多的黑洞雙星等待我們?nèi)グl(fā)掘?！币虼耍趲缀跬粫r期，武劍鋒作為“銀河核球巡天”項目的核心成員之一，致力于探索發(fā)現(xiàn)黑洞雙星的新方法，其核心和宗旨是將X射線巡天和后隨光學(xué)光譜觀測相結(jié)合。使用這種方法，他和團隊很快遴選出了一批黑洞雙星的候選體。從向往星空到聚力黑洞，武劍鋒已在漫天星河中找準(zhǔn)了屬于自己的研究坐標(biāo)——凝望宇宙深淵，探尋起源真相。

“無用之用，方為大用”

關(guān)于“探索宇宙的現(xiàn)實意義”的問題，武劍鋒從學(xué)生時代一路被問到如今?，F(xiàn)在的他回國加入廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院已6年有余。多年的研究經(jīng)歷使他沉淀出了更深層次的智慧與行業(yè)認(rèn)知，對上述問題的答案也由“興趣所向，滿足自身求知欲”逐漸升華成了8個字——“無用之用，方為大用”。

天文學(xué)無用嗎？黑洞存在與否與我們的生活全無關(guān)系？當(dāng)然不是。這種看似遙遠(yuǎn)縹緲的自然現(xiàn)象往往孕育著未知的科學(xué)，不斷拓展著人類精神與想象的邊界，最典型的例子當(dāng)屬量子力學(xué)的誕生。也正因為參悟了這一點，武劍鋒表示未來仍會矢志不渝地堅守在這條“追星”的探索道路之上。現(xiàn)在，武劍鋒已經(jīng)帶領(lǐng)團隊將研究拓展到“中等質(zhì)量黑洞”這一新興前沿上，目標(biāo)是尋找和證認(rèn)質(zhì)量介于前述恒星級黑洞和超大質(zhì)量黑洞之間的新的黑洞類型，力圖對黑洞整個族群的性質(zhì)和起源獲得更為完整的認(rèn)識。

在海量的研究工作中，武劍鋒逐漸形成了自己的研究特長：大規(guī)模巡天和多波段分析。大規(guī)模巡天代表了當(dāng)今天文學(xué)發(fā)展的趨勢，使天文學(xué)真正從數(shù)據(jù)稀缺的時代步入了數(shù)據(jù)豐富的時代。多波段分析則是當(dāng)代天文學(xué)的又一個重要科研方法?！耙酝ㄟ^單個波段獲得的關(guān)于天體的信息往往較為片面，如盲人摸象，將多個波段的數(shù)據(jù)結(jié)合，并分析它們之間的相關(guān)性，才能獲得更為全面的信息?！彼忉尩?。

作為一名教師，武劍鋒同樣深感自己有將天文學(xué)帶入更多人視野的使命。所以，他不僅專注于發(fā)展自身的科研能力，還同樣將培養(yǎng)好學(xué)生的天文素養(yǎng)納入對自己的要求。入職廈門大學(xué)后，他十分注重課程教學(xué)，投入了大量時間和精力以提升自身的教學(xué)水平。功不唐捐，他也由此獲得了廈門大學(xué)英語教學(xué)比賽一等獎（理工醫(yī)組第一名），且由他主講的兩門本科生課程受到廣泛好評。其中，通識課程‘黑洞與引力波’還入選了廈門大學(xué)一流本科課程，并受邀成為廈大美育與通識教育中心首批一流課程?！坝浀糜幸淮挝覐耐獾爻霾罨貋?，在機場等行李，有一位學(xué)生主動走過來打招呼說之前上過我的‘黑洞與引力波’課程，我特別高興。”無論何時提起這段經(jīng)歷，他的眼睛總是亮晶晶的。正所謂“金杯銀杯不如學(xué)生的口碑”，武劍鋒深諳此理，才會多次在廈門大學(xué)及校門之外的多所中小學(xué)和科技場館作科普報告、設(shè)立天文小講堂。而這些活動無一例外，反響都十分熱烈。他說：“這樣天文學(xué)不就真正貼近我們的日常生活了嘛。”

除了教學(xué)與科研之外，公共服務(wù)也是武劍鋒自覺承擔(dān)起的一部分工作。在由國家天文大科學(xué)中心和多所高校共同組成的“國際望遠(yuǎn)鏡機時計劃”（TAP）中，武劍鋒傾注了許多心血，亦曾擔(dān)任項目科學(xué)委員會輪值主席，主持各院校提交的望遠(yuǎn)鏡觀測申請的評審，為項目的順利實施切實作出了自己的貢獻(xiàn)。“這一項目是國內(nèi)天文院所獲得國際先進(jìn)望遠(yuǎn)鏡觀測時間的主要途徑之一?！睂τ陧椖客七M(jìn)的意義，他如此說。

“其實我做這些也不只是為了真的有什么用，也是一種‘情不自禁’——我認(rèn)為天文學(xué)者的心與靈魂，都該連接著星空?！贝送猓鋭︿h還自陳，在眾多種類的書目之中，自己最愛歷史類書籍，“知其然，還要知其所以然，事物的演變歷程往往最能直觀地反映其本質(zhì)與內(nèi)核。”所以他現(xiàn)在仍然如最初一般執(zhí)著于還原宇宙的歷史，因為其中深藏著人類的由來，也在一定程度上會決定世界的未來?？?/p>

武劍鋒在給廈門大學(xué)天文學(xué)專業(yè)本科生講授“高能天體物理學(xué)”