新作品预告:《太空之书》

承蒙重庆大学出版社的编辑的信任,我于2014年翻译的书已经进入制作的尾声了。这本书是现任美国行星学会(对,卡尔·萨根创建的那个)主席Jim Bell的 Space Book。副标题是《天文学和太空探索的历史上的250座里程碑》。中文版的书名会直译。从去年4月到10月,用了半年时间进行了20万字的翻译工作,再经过编辑和出版社的三审三校后进入排版环节。目前排版工作已经基本上完成了。最后还会进行一些细微的修修补补和调整,我会在近期拿到这本书的最终样式电子版,再做最后一次校对。

预计,可以在春节后送入印厂开始印刷,然后出版发行。非常希望能在春天上市。做这个预告,是因为要在此做一个宣传,以及声明。

宣传是为了更好的推广这本书,出版发行后还会进一步宣传,更多地介绍书的内容。这本书我扪心自问,是花了心血的,也是有态度的。翻译方面的技巧这里不展开说,但从书的方向来说,非常适合爱好者们收藏,非常适合学生学习入门,也非常适合专业的天文和物理领域的学生、学者拿来重温一些常识。甚至我觉得,之前对天文没有了解和爱好的人,拿来读一读,当做消遣,甚至娱乐,也非常有趣。

声明是为了把话说在前头。我作为中文版的译者,有两欢迎和一不欢迎。我欢迎任何人与我讨论这本书的内容,也欢迎任何人对书的任何内容对我提出意见,这些意见都将为今后的修订做出贡献。我不欢迎索要赠书的行为。因为对一个作品最大的诚意,就是购买它。而不是要一本免费的放置起来。

 

LAMOST fellow顺利出站

今天领导签了字,我作为LAMOST fellow正式完成了博士后合同,出站了。想在这里借这个机会说一些关于LAMOST的话。我是伴随着LAMOST立项的天文系学生,是最早的一批LAMOST fellow冠名博士后,也是用了LAMOST数据做了科学工作的,所以应该有一些发言权。

今天的astronomer们,有好多基本问题没搞清楚,就来指责LAMOST的各种问题。吐槽特别简单,但是做一些推动的工作可就难了。所以就和我上一篇日志说的一样,大部分人只简简单单地转个发、吐个嘈,埋怨两句,具体的工作不去做。

好多人说LAMOST的网站界面没办法给外国人用,LAMOST的数据没有外国人来关注。这些指责特别奇怪,因为LAMOST数据还没有正式对全世界开放,目前只是内部保护。从观测结束开始算起,数据有1年半的保护期,这是国际惯例。第一年的正式观测结束于2013年6月,也就是说2014年12月将对全世界开放DR1。在此之前所有的数据都是国内的保护使用,不存在公开释放数据的概念,希望吐槽的同学们搞清楚了再说。

还有很多人质疑。理由是SDSS口径小很多,能做的很深,LAMOST有什么优势呢?这么说暴露了没真的使用LAMOST数据啊23333。SDSS固然很好很好,但是并不适合做银河系盘上的科学,因为14等以上的星都曝光过度了,并且没有对银道面附近天区做观测。而LAMOST对亮星大样本高效率的搜寻,恰好弥补了低纬度的不足。银河系盘上的科学用LAMOST再合适不过了。具体可以讲的还有很多。绝不是一句信噪比不够好,就可以让astronomer不去理财lamost数据的。

这样一个工程项目,太多人的心血在里面。如果说确实存在一些不足和可以进步的空间,那也是在大家一起努力的基础上才有可能。躲在背后只顾嘲笑是没有任何价值的。说到LAMOST的科学产出,真的像有些人说的那样很少很差么?从数据在国内释放到现在不到2年时间,已经发表了20多篇国际水平的高质量科学论文,今年底之前这个数字将翻一番。这只是第一年的观测数据。请问,这算少么?

有些人吐槽说不能用技术问题做评价标准,要用科学产出才算数。可是用一个大项目第一年的论文数来做评价,就更高明了么?就算用第一年的论文数来评价,LAMOST也并不差。BATC头几年什么情况查一查就知道了。SDSS头几年什么情况也不是查不到。LAMOST数据是一个宝库,但是很可惜,很多astronomer不知道听了什么风言风语,不愿意碰它,仿佛沾了LAMOST的边就证明自己水平差。这真是太奇怪了。

LAMOST用户培训会

本周一到周四LAMOST组织了用户培训会,牵头组织的是LAMOST用户委员会的吴学兵老师和付建宁老师。参加的人挺多,140个人来听报告,其中有北师大大一本科生全班,正好要去兴隆做观测实习,顺便白天听报告。想起来我当年,觉得他们比我强了很多,我直到大三才感受过这样的气氛。

作为培训会,实际上是再次向国内的astronomer做LAMOST数据的使用说明。包括运行中心几个头头的项目报告,也包括一些科学实例的工作报告,其中有我的双星的报告。会议中间听到有人议论,说这个培训会就应该多说怎么下载数据,不应该有这么多科学工作报告。我只能呵呵了。我很不明白的是,LAMOST从第一次释放pilot数据到现在已经2年了,竟然astronomer还不知道怎么下载它,还要人来培训?这实在是很奇怪的事情,难道要人把观测好的数据送到手边才知道用?我觉得LAMOST组织的完全没问题,所谓培训的核心就应该是科学应用的范例。

科学工作的范例有这么几个比较重要:

  1. 艾艳丽做的LAMOST数据中的类星体的光谱分析;
  2. 北大KIAA团队做的反银心方向数据的参数估计;
  3. 任娟娟做的白矮星+M星双星;
  4. 赵景昆做的搜寻星流;
  5. 刘超做的K巨星参数;
  6. 钟靖做的寻找M巨星。

这些东西才算是科学范例,而其他的很多科学报告实际上是一个研究计划。当然,研究计划对astronomer也是很有用的参考。

大家不约而同的找到了很多很关键的问题,其中报告:

  1. 估计参数,估计距离;
  2. 区分矮星和巨星;
  3. 大样本中的双星。

这样的话,我后面做的双星和恒星质量、年龄、距离的估计就显得很重要,希望能有好结果。

最后,我发现几乎所有的工作都或多或少的用到了SDSS。今天晚上,SDSS正式开始了第四期的观测,我的针对APOGEE II的研究计划已经提交到了SDSS IV内部社区。

银河系那些事儿(3)——厚此薄彼

 (原载于《天文爱好者》2012年12月刊)

当你读到这篇文章的时候,美国印第安纳大学天文系的艾琳·弗里尔(Eileen Friel)教 授(图1)正在给她的学生上课。课程的名字叫做《星系天文学》,研究生必修。1984年的 艾琳·弗里尔在加州大学圣克鲁兹分校(University of California at Santa Cruz, UCSC)读研 究生,那时的弗里尔教授还只是弗里尔同学,听她的老师讲授《星系天文学》。但是,今天 的弗里尔教授所教的《星系天文学》与80年代弗里尔同学所学的相比,已经有了大大的不 同。在这30年间,发生了变化的不是我们的银河系,而是我们对银河系的认识。正是弗里尔 同学本人,创造了这段历史。

1984年4、5月间的几个晚上,弗里尔同学用里克天文台3米望远镜(图2)和1米望远 镜(图3)观测了巨蛇座的200颗恒星的光谱。利用这些光谱,弗里尔同学分析了恒星的金 属丰度和运动速度。她发现,绝大部分恒星具有类似太阳的金属丰度和速度,极少数恒星的 金属丰度极低;但还有一部分恒星,金属丰度介于前两者之间,这些星的距离也介于前两者 之间,这是一个崭新的结果。

1980年,天文学家约翰·巴克(John Bahcall)(图4)等人就给出了一个双成分的银河 系模型。他们把银河系分为盘和晕两部分(后来在银河系中心又增加了一个核球成分)。盘 是一个扁平的,恒星密集的,相对年轻的,富含金属元素的系统;晕是一个弥散的,稀疏 的,相对年老的,贫金属的系统。用这样的双成分模型,巴克等人解释了粗略的银河系的结 构,并且基本符合他们观测到的测光结果。这已经成为天文学普遍接受的事实。直到吉拉德 ·加尔默(Gerard Gilmore)(图5)对这一经典理论提出挑战。加尔默和瑞德(Reid)在 1983年共同完成了南银极方向18平方度的天空的观测,他们获得了这个方向上的12500颗恒 星的亮度。沿用我们在《银河系那些事儿(1)》(2012年10月刊)中提到的赫歇尔使用的 数星星的方法,他们发现,恒星的数目随着远离银道面越来越少,在1kpc的距离以内,完全 可以用巴克的模型来表示,但在1kpc以外,需要用另外一个规律来描述恒星的数目。加尔墨 和瑞德将这个额外的恒星数目称为厚盘,作为银河系的第三个成分。相对地,原来普遍接受 的银盘被称为薄盘。

但是,巴克等人并不善罢甘休,他们和加尔默之间你来我往进行了长久的论辩。加尔 默虽然发现了新的蛛丝马迹,但他们最后都承认,仅仅凭借恒星计数的方法,证据还并不充 分。而索内拉等人坚持的“只有薄盘”的观点,也屡屡遭到其他研究者的挑战。最终真正提供 了充分观测证据的,就是前文提到的弗里尔同学对巨蛇座的观测。金属丰度、运动学、距 离,几种参数共同分析表明,的的确确,除了薄盘之外,银河系还需要另一个成分来描述一 部分不可忽略的恒星。

艾琳·弗里尔同学毕业后做了几期博士后,再后来她后来成为了罗威尔天文台(Lowell Observatory)(脚注1)自1894年创建以来的首位女台长。今天坐在印第安纳大学的教室 里聆听弗里尔教授天文课的同学是幸福的,他们所面对的这位老师,正是创造、亲历并验证 这段历史的当事人,这位30年前在学生时代和他们一样聆听这节课的同学,正是亲自操作望 远镜给出厚盘观测证据的先驱。当我们今天仰望夜空银河的时候,也该是幸福的。因为我们 可以知道薄盘、厚盘这样的理念经过了众多先驱之手,还因为我们知道也许过不了多久,这 一切会再次遭遇挑战(脚注2),教科书再次被更新换代,有一批新的学生再次坐在天文的 课堂里聆听历史的新篇。

天文学家今天还不能完全解释清楚厚盘的实质。目前有4种关于厚盘如何起源的理论暂 时难分高下,皆有天文学上的一席之地。第一种理论认为厚盘的恒星完全是靠近银河系中心 的恒星向外迁移的结果。第二种理论认为原有的薄盘受到银河系周围其他星系的引力的影响 而让其中一部分恒星获得了更高的速度,最终脱离薄盘,成为厚盘恒星。第三种理论认为大 部分厚盘的成员恒星来源于银河系对外部其他小星系的捕获,这些小星系落入银河系的范围 内成为今天的厚盘。第四种理论认为厚盘是银河系中的气体相互并和的结果。总之,这一问 题仍然是天文学的前沿课题,每年都有不少探讨这一问题的学术论文被发表。但如果要彻底 地得到一个让科学界普遍信服的答案,可能还需要更为完善的观测数据作为证据。因此,银 河系不同方向上较为完整的的大样本的恒星光谱观测,对天文学的发展极为重要。这也是为 什么中国要不遗余力地建设郭守敬望远镜(LAMOST)(脚注3),欧洲和美国也在同时大 力发展大型的、高精度的恒星光谱巡天望远镜。

利用美国斯隆数字巡天(SDSS)(脚注4)获得的大量可靠的数据表明,银河系的薄 盘和厚盘上的恒星都是越远离银河系中心数目就越低,越远离银道面恒星数目就越低,恒星 数目呈指数衰减。这就是经典理论中说的“双指数分布”。薄盘和厚盘指数衰减的标高(脚注 5)分别是300 pc和900pc。在太阳附近的恒星中,有11%的成员属于厚盘,0.4%的恒星属 于晕,其他都是薄盘恒星。这些结果会随着获取更多的数据而被更新。关于厚盘的产生原因 也会随着更多的数据而露出更加清晰的图景。我们相信,我们对于银河系的认识,就是这样 一步一步地积累起来,用更加完备的观测数据佐证我们异想天开的理论,用我们丰富的想象 力和理性指引未来的观测,永远也不拘泥于现状的安稳,随时准备让自己学过的东西有更新 的解释。

银河系晕和银河系周边小星系的话题,让我们留待下一次讲述。这个话题曾经是天文 学发展史上另一个让人激动的情节,也是认识银河系的又一次飞跃。

脚注1:罗威尔天文台是一所私人捐资成立的研究机构,创建人罗威尔是一位商人和天文爱 好者。罗威尔天文台发现了冥王星、天王星的光环、多颗小行星。

脚注2:来自美国的天文学家乔·鲍威(Jo Bovy)等人今年提出了新的观点,并在《天体物 理学报》上发表了一篇论文,题目是《银河系没有厚盘》。关于银河系厚盘的深入研究还在 继续,也许这场争论还远未结束。

脚注3:郭守敬望远镜,又名“大天区面积多目标光纤光谱望远镜”,或LAMOST。LAMOST 有效口径4米,利用光纤技术可以同时观测4000个目标的光谱,成为世界上光谱获取效率最 高的望远镜。LAMOST位于国家天文台河北兴隆观测站,已于今年10月开始了正式的科学 巡天观测,计划运行5年时间,获取1千万恒星光谱,为研究银河系的结构和子成分的演化、 起源、化学、运动学等课题提供丰富的数据。

脚注4:斯隆数字巡天,又名SDSS,采用一台位于阿帕奇天文台(Apache Point Observatory)的2.5米望远镜做测光和光谱的观测。目前SDSS已经释放了9次科学数据。由 于SDSS观测的精度高、覆盖天空面积大等优点,成为了现在最受瞩目的天文观测设备,利 用SDSS产出的科学成果为平均每天2至3篇论文。

脚注5:标高是一个数学概念。如果薄盘上的恒星数目呈指数衰减,恒星数目衰减为最大值 的大约37%时的高度就是这个薄盘的标高。标高越大表示衰减的相对平缓,标高越小表示急 剧衰减。

 

银河系那些事儿(1)身在此山中

(原载于《天文爱好者》杂志2012年10月号,谢谢责任编辑冯翀同学。)

在天文论坛和知识问答网站上,经常有人提出这样的问题:

既然我们身处银河系其中,我们是怎么知道银河系的形状的?

的确如此,太阳带领着包括地球在内的整个太阳系位于银河系中一个十分普通的位置,使我们既无法简单地看穿银河系核心的神秘,也不能俯视整个星系的全貌。就像长江中航行着的一叶扁舟,或是急驰的火车上的一名乘客,即使我们可以暂时把头探出窗外,窥见一条长长的银色“牛奶路”(the Milky Way),也很难凭空描述完整的形状。“只见树木不见森林”特别适合比喻我们看待银河系的状况。

今天,天文学告诉我们银河系是一个具有至少三个组成部分的盘状结构。核心是一个带棒的比较致密的核球,围绕着核球的是扁平状的盘,除了核球和盘之外,还有星团和稀疏的恒星组成晕围绕在盘的周围。为了得到这些信息,天文学家几乎用到了天文学中的所有观测手段和已知的知识。对这些信息的争论,贯穿了最近200年。最早的关于银河系面貌的整体描述,由赫歇尔做出。他为此画了第一幅完整的银河系面貌图。赫歇尔心目中的银河系像极了在船上看到的长江的一段错综复杂的港汊——有溪流,有分支,不对称,不规则,自己处在中心 (图1)。

图1 赫歇尔眼中的银河系

哥白尼和他的追随者们做出了巨大的牺牲,终于使人们普遍接受了“哥白尼原则”。这条原则告诉我们,我们不是一个特殊的存在,地球不特殊,太阳不特殊,银河系也不该在宇宙中有特殊的地位。这给了我们两条暗示:赫歇尔认为我们在银河系中心,这可能是错的;想知道自己的面貌,也许可以先看看邻居们的!

1845年,罗斯伯爵在他爱尔兰的城堡里建造了当时世界上最大的望远镜,口径达到1.8米。他用这架望远镜,首次为人类观测到了清晰的河外星系的面貌(图2)。

File:M51Sketch.jpg
图2 罗斯伯爵观测到的河外星系M51

这是一幅超出人们想象力的图景,没有人完全理解这就是一个宇宙中最普遍、最正常的星系的样子,更不会有人知道我们自己的银河系也是这幅样子。我们总是对怪异的邻居吐槽,却看不见自己同样如此。

卡普坦(图3)从20世纪20年代开始号召天文学家们重复赫歇尔当年的工作。他们用在照相底片记录不同方向看到的星空,再用光谱和年复一年的恒星运动计算恒星的速度。最后卡普坦绘制出一份更为精密的银河系图景。卡普坦的银河系的样子看上去像一块铁饼,太阳位于中心部分,越往边缘恒星越稀少,整个铁饼对称又平整。这样的结果从让人心里不安,难道我们真的是独特的中心?

图3 卡普坦

莎普莉 (图4)用另一种方法证明了我们并不处在银河系的中心。他观测了当时已知的69个球状星团的距离和位置。结果表明,这些球状星团围绕着一个中心分布,而太阳(和地球)距离这个中心很远。如果我们认为球状星团是银河系的重要成分,它们应该简单地围绕银河系的中心分布。那么,莎普莉再次追随着哥白尼的脚步,确认了“我们不处在特殊的位置”这一原则。莎普莉心中的银河系要比卡普坦的大上10倍左右(图5)。

图4 莎普莉
图5 卡普坦和莎普莉的银河系面貌对比

如果用卡普坦的小银河系来看待那些被罗斯伯爵观测的漩涡状的“星云”,它们必然位于银河系之外,是彻底的河外星系——我们银河系的邻居。但如果我们相信莎普莉的大银河系观点,我们无法确信那些漩涡状的东西是不是已经远离了银河系。就在望远镜越做越大,观测技术越来越叹为观止的同时,对于银河系的长相的争论一直没有停息。这场发生在20世纪初的争论,把人们对银河系的认识向前推进了一大步。1920年4月的学术会议上,双方分别做了精彩的报告论述自己的观点。坚持小银河系+河外星系的一方由柯蒂斯 (图6)领衔,48岁的柯蒂斯当时刚刚荣任匹兹堡大学天文台台长;坚持大银河系+河内星云的一方由莎普莉担纲,年仅35岁的莎普莉正在威尔逊山天文台工作(图6)。柯蒂斯列举了近年来观测的大量例子,旋涡星云大小各异,距离差别很大,就算最近的位于银河系之内,最远的也已经超过了大银河系的尺度。莎普莉并不相让,他发现旋涡星云普遍比银河系本身在单位面积上更亮,而且颜色更蓝,它们可能是本质不同的两个系统。

图6 柯蒂斯

这场官司围观者众多,双方阵营都在辩论中各自发展。实际上,他们都掌握了真理的一个方面,也都忽视了一些重要的事实。正是这些被他们双方忽视的事实,让卡普坦描绘的银河系太小了,让太阳错误地处在中心位置,让莎普莉不能理解为什么河外星系颜色更蓝。

他们的工作究竟错在哪了呢?是谁,最终认识到那个被双方都忽视了的问题?又是谁,最终结束了这场争论,将我们对于银河系的知识提升了一个新的高度?哈勃,由此隆重登场,在科学的舞台上大展身手。河外星系的研究,从此开始出现。对于遥远距离的精确测量,从此进入新的时代。让我们回顾一下“哥白尼原则”和天文学对银河系的一路探索,不难发现,确认“我们不是独特的”这一信条始终推动着天文学的发展。在我们有生之年,人类可能都没有办法跳跃到银河系的另一个角落或者银河系之外去获取不同角度的观测。我们面前的这头大象,只能凭借我们亲手抚摸,一寸一寸地拼凑起对整体的认识。大辩论之后,一个惊心动魄的时代到来了,一个关于银河系结构的崭新领域摆到了天文学家面前。