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新冠肺炎疫情中天文学家与星空的“社交距离”

印度新德里的一台有几百年历史的天文仪器,表明天文学一直以来都是在偏远的地方开展工作

印度新德里的一台有几百年历史的天文仪器,表明天文学一直以来都是在偏远的地方开展工作

2004年,天体物理学家从基特峰国家天文台2.1米望远镜的温暖房间里按下按钮,打开了望远镜圆顶

2004年,天体物理学家从基特峰国家天文台2.1米望远镜的温暖房间里按下按钮,打开了望远镜圆顶

位于智利,正在建设中的薇拉·C·鲁宾天文台只需要很少的现场工作人员

位于智利,正在建设中的薇拉·C·鲁宾天文台只需要很少的现场工作人员

(神秘的地球uux.cn报道)据新浪科技(任天):对专业的天文学家来说,观测星空可能早已不必再手动调整望远镜,但在新冠肺炎疫情的影响下,一些天文台不得不关闭,这给天文学研究带来了阻碍。天文学家很珍惜在工作中所遇见的美。我们可能会花很多时间钻研数据,研究如何用数学和物理的语言来描述宇宙,但与此同时,我们也得到了独一无二的机会,可以去世界上最黑暗——也最远离光污染——的角落进行研究。

在造访某个偏远的天文台期间,大多数天文学家都忍不住要在繁忙的观测日程中花上几分钟,在周围的环境里喝上一杯。

我们特别喜欢日落。当夜幕降临时,看着地球慢慢地旋转远离我们最近的恒星,使我们有一个安静的时刻,来欣赏自己所处的这颗星球的广阔和色彩。可以想象,在今年三月之前的任何一个夜晚,全球各地的天文学家都会抽空站在山顶的望远镜旁,停下他们的工作,欣赏天空的简单之美。

悲剧的是,在过去的几个月里,这种共同的仪式几乎消失了,连同望远镜本身一起被抛弃了,因为世界各地的天文台都因新冠肺炎疫情暂时关闭了。

研究级望远镜是一种稀有而珍贵的物品,只有在非常极端的情况下,才会让一台望远镜闲置几个晚上。乍听之下,关闭天文台并远离山顶的决定很是奇怪,毕竟我们把望远镜都设置在十分偏僻的地方,研究的是数十亿光年之外的东西。天文学研究似乎是社交距离最远的一项工作。那为什么还要关闭天文设施呢?

首先,管理这些偏远的科学前哨需要现场支持人员,以及当地社区成员的努力,他们的安全事关重大。一些望远镜仍然需要天文学家亲自维持运行,意味着他们可能需要穿越数千公里的距离,这在如今的疫情背景下颇令人担忧。

然而,不可否认的是,比起一个世纪前,甚至是十年前,如今的天文学研究更加自动化,天文学家越来越远离手动操作。在20世纪早期,天文学家的工作场所就是望远镜,这一点毫不夸张。大多数天文望远镜使用巨大的曲面镜来捕捉从夜空落下的光线。主反射镜的大小是望远镜的主要特征:越大的反射镜可以收集和聚焦越多的光线,使我们能够研究较暗和较远的物体。在长达数十年的时间里,使用世界上最大、最好的望远镜进行观测,就意味着要爬进镜片上方狭窄的空间,摆弄玻璃照相底板,并在漫长寒冷的夜晚一直弯腰在照相机前拍摄。天文学家可以通过目镜来手动引导望远镜,与头顶上运行的星星保持同步。

在玻璃底板上收集数据,以及用肉眼来操纵望远镜听起来可能很原始,但正是这些观测带来了天文学历史上一些最具突破性的发现。1912年,哈佛大学的天文学家亨丽爱塔·斯旺·勒维特(Henrietta Swan Leavitt)利用秘鲁一台望远镜的感光板观测结果,发现了一种叫做造父变星的奇特变星。这是一种非常明亮的变星,其变光的光度和脉动周期有着非常强的直接关联性,可以用来精确地测量宇宙空间中的巨大距离。11年后,埃德温·哈勃(Edwin Hubble)在美国加州威尔逊山天文台2.5望远镜拍摄的一张感光板照片中也发现了造父变星。图片中显示的是当时所谓的“仙女座星云”。但是,哈勃进行了新的距离测量,揭示了这个星云实际上就是仙女座星系,而且在我们的星系之外还存在着无数其他的星系。这改变了我们对宇宙的认知。恒星化学和宇宙膨胀的发现,成为证明爱因斯坦广义相对论的第一批证据,而所有这些都要归功于感光底片和天文学家们在山顶望远镜上花费的大量时间。

到了20世纪70年代,电荷耦合器件(可以存储数据的光敏硅芯片)等新技术的发展使电子学成为天文台观测的重要组成部分。天文学家们不再需要在寒夜中,独自在相机前颤抖;现在,他们可以在所谓相对“奢华”的温暖房间里,在电脑、灯光和最重要的暖气陪伴下进行观察。在天文学家感到更加舒适的同时,望远镜的功能也更加强大:电荷耦合器件对光线的敏感性远远高于照相底片,而它们储存的数据量也非常庞大,以简洁的0和1的形式提供新发现,而不是难以解读的玻璃感光图像。通过使用这些设备,加上20世纪望远镜的镜片尺寸不断增大,天文学家得以研究宇宙中那些更加黯淡的物体。当他们探测到来自可见宇宙最边缘的光线时,就可以有效地回溯过去。这项技术使我们的工作更容易、更高效,也标志着天文学研究方式的根本转变。

随着计算机和自动化在天文学中发挥越来越重要的作用,远程观测开始普及。如果天文学家可以在另一个房间进行观测,为什么不能在另一座建筑进行呢?或者是在另一个国家?

如今,远程观测可以通过许多手段来实现,从专用的控制室到笔记本电脑上的软件。我曾经在西雅图的沙发上,在纽约的餐桌上,以及瑞士的一栋办公大楼里,运行过新墨西哥州阿帕契点天文台的3.5米望远镜。位于夏威夷和智利的双子星望远镜已经观测到超新星爆发的最初时刻,并捕捉到围绕遥远恒星运行的整个行星系统的图片,这让可观测宇宙的距离又向前迈进了一步。天文学家会提前提交细致的指令,而观测结果会被装载到一个望远镜“队列”中。在实际观测中,这个队列会考虑到天气、月相和大气状况。我可以在一整夜的观测中平静睡去,到第二天早上醒来时再下载收件箱里的新数据。

对天文学家来说,远程或排队观测简直是奢侈之举,当然,在疫情肆虐的情况下很适合这么做。但是,天文学家并不是唯一操作望远镜的人。总的来说,我们已经有几十年没有亲自使用过巨型望远镜了。这项任务落到了专业操作员的肩上,他们是负责每一个望远镜复杂操作的专家,目前仍在天文台山顶的控制室中工作。

一些专门用于巡天观测的望远镜实际上可以在没有人在场的情况下完全自动运行。这些更简单的仪器可以一次又一次地拍摄天空中相同区域的照片,以寻找近地小行星和正在爆发的恒星。一些在未来具有开创性意义的巡天望远镜,比如智利的薇拉·C·鲁宾天文台(该天文台的建设已于3月停止),已经设计成只需要很少人员参与就能运行。

当然,新冠肺炎疫情的挑战远不止望远镜的后勤保障。和其他人一样,天文学家也在努力应对当前的各种挑战。白天照顾孩子、面对系统性的种族主义和政治动荡、把课堂搬到网上、把会议搬到网上,等等,这些都是至关重要的任务,而且很难在做这些事情的同时去试图解决深奥的宇宙谜题。

远程操作和自动化望远镜,无论多么不可思议,也只能满足天文学界各种观测需求中的一部分。同时研究数以百万计的天体,或是执行预先计划好的程序可能也会收到效果,但科学的繁荣也依赖于偶然的发现,需要天文学家忙里偷闲,来进行一些奇怪的观测,或者想出一个富有创意的点子。最令我激动的一些研究,包括解释参宿四亮度的奇怪变化、研究半个宇宙之外新生黑洞的母星系,以及发现一颗支持量子物理学的奇怪新恒星,等等,都是由于观测计划在最后一刻的改变而发生的。安全地恢复各种现代形式的全面观测,对科学进步至关重要。

新冠肺炎病大流行在全球范围内都是前所未有的事件,并悲哀地让全世界的人们通过悲剧获得了统一的人类体验。对我来说,天文学最美妙的地方是,它能够为人类提供类似的统一时刻。只要看看上个月互联网上铺天盖地的新智彗星(Neowise)图片,或者第一张黑洞照片公布时全世界的激动反应就知道了。想象一下,如果我们在其他星球上发现了生命,那将是多么重大的消息。所有这些都代表了全球范围内的人类胜利,任何能够见证这些发现的人,都会激动地分享这些胜利。无论是在后院观星,还是在沙发上看相关的影片,抑或在世界上最偏远的天文台观测星空,都能让我们有机会在夜空的美丽中找到共同的快乐。

作者简介:艾米莉·莱维斯克(Emily Levesque)是美国华盛顿大学的天体物理学教授,主要研究大型恒星的物理性质及演变,著有科普书《最后的观星者》(The Last Stargazers),分享了作为天文学家的人生故事。




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