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我是天文学博士,但我不算命,也不预报天气

|· 本文来自“我是科学家”·|

在你的印象中,天文学的研究人员都在做些什么呢?他们是天气预报员,还是占星大师?事实上,他们既不懂占卜,也不预报天气,他们的主要任务是看月观星,一边探索宇宙奥秘一边努力养活自己……今天这位博士就来自天文学领域,他将为大家全面介绍天文学专业的研究内容,以及如何进入这个学科,希望能给未来想研究天文学的同学提供一些建议。 (**专栏中所涉及的内容为嘉宾自身的经历,仅供参考,不同院校/专业/研究方向的博士在研究和生活方面都会有不同的体验哟**)

多年前,有个学天文的研究生对我说,其父的朋友得知其在紫金山天文台读天文研究生,问:这个天文台是不是做天气预报的?

……没错,很多人以为天文学研究人员就是做天气预报的。

这个也不怪大家。当年,被誉为“科学之父”的泰勒斯,被人嘲笑为穷鬼,于是他夜观天象,预测那一年橄榄会丰收,然后租了附近所有榨油机。结果,他靠着高价转租榨油机赚了一大笔,还特意到嘲笑他的人面前炫耀了一番。这个故事说明,研究天文的人是有天气预报的能力的。但严格说,尽管泰勒斯也研究天文学,他的这项技能却属于天气预报学,不算天文学。

如果只是被认为有天气预报的能力倒也罢了,就怕有人认为我们会算命:你不是研究星座的吗?能不能帮我算算今年的运势啊?抱歉,我要有这项技能,当年早就去炒股了。

但说实话,确实有不少著名天文学家兼职算命,比如,富甲一方的第谷就热衷用占星术给人算命;开普勒曾经因为生活所迫,也搞过占星术。但他们算命的成就没有流传下来,天文方面的贡献却是不朽的。

天文的研究对象

上面说过,天文学家不预报天气,也不算命。那么天文到底研究什么呢?一句话,天文学的任务是:看太阳、看月亮、看星星。

在我们太阳系内,有太阳、月亮、大小行星、彗星与卫星。在太阳系外,有很多恒星与恒星残骸(白矮星、中子星与黑洞),以及环绕其中一部分恒星的“系外行星”。太阳与周围几千亿颗恒星构成银河系;宇宙中还有其他无数星星各自会聚,构成大量类似于银河系的星系。有些星系中心的巨大黑洞快速吸食周围的气体与尘埃,形成"活动星系核"。

以上所有,都属于太阳、月亮与星星及其会聚成的团体。天文学研究的就是它们的位置、运动路线、物理性质,还有它们的出生、变化与死亡以及这些过程发出的各种各样的信息。至于宇宙中的那些分子云,算是孕育恒星的育婴室;弥漫在宇宙中的“宇宙大爆炸”的辐射余烬,则是宇宙学的研究对象。

天文的研究手段

除了黑洞之外,天体要么发出光,要么反射光。光,是天体给人类的最容易接收的信息。长期以来,人们只能观测肉眼可见的那类光——可见光。

观测可见光的方式一开始当然是用肉眼。1609年,伽利略用自己制造的天文望远镜观测星空,从此人类进入了天文望远镜时代。直到今天,接收可见光的天文望远镜依然是天文观测中的最重要的几个主力之一。我们熟知的哈勃太空望远镜观测的对象也主要为可见光。

哈勃太空望远镜拍摄的名作《创生之柱》。尽管绝大部分天文学家并不是星空摄影师,但天文学家使用的顶尖级别望远镜却可以拍摄出最美丽的天文图。| NASA/ESA, Hubble Space Telescope

除了可见光望远镜之外,天文学家与工程师们还设计、制造了紫外望远镜、红外望远镜、射电望远镜、X射线望远镜与伽玛射线望远镜,分别观测天体发出的紫外线、红外线、射电辐射、X射线与伽玛射线,这些辐射与可见光共同构成了“电磁波”这个统一概念,换句话说,它们都是某个波段的电磁波。

除了电磁波之外,有些天体还会发出强烈的宇宙线、中微子、引力波。比如:太阳在不断发出大量中微子;太阳上剧烈的爆发过程会发出大量宇宙线;有些超新星爆发会也会发出大量中微子与宇宙线;黑洞与黑洞并合、中子星与中子星并合以及黑洞与中子星并合都会发出强烈的引力波。宇宙线、中微子、引力波与电磁波一样,都携带着天体内部的重要信息,甚至是原始的重要信息,因此对于这些信息,天文学家自然会说:我全都要。

为了那句“我全都要”,天文学家、物理学家与工程师设计、制造出宇宙线探测器、中微子探测器与引力波探测器。其中,宇宙线探测器于1912年在5300米高山上首次探测到宇宙线;中微子探测器在1987年首次探测到银河系外发射过来的中微子,引力波探测器在2015年首次探测到两个黑洞并合发出的引力波。

天文虽然是观测学科,但也需要大量的理论分析与计算,因此虽然有的天文学家一辈子都没摸过望远镜和其他观测仪器,却依然是合格甚至杰出的天文学家,他们是理论天文学家。理论天文学家的主要工具是纸、笔、黑板/白板,个人计算机或超级计算机,别人开发的程序或自己开发的程序。对于想成为理论天文学家的人而言,过硬的数学、物理与编程的能力,是必不可少的技能,也是必修课。

当然,从事观测工作的天文学家也需要有编程方面的(强大/很强大)技能,以处理各类观测数据。

我的天文之路

作为天文研究大潮中渺小的一员,我的天文成就虽然微不足道,但我希望自己能够为后来者提供一些建议。

我对天文的兴趣始于小学毕业的暑假,如果我不是在四五岁时把我爸珍藏多年的那么多本《十万个为什么》都撕光,这个时间应该会提前几年。在小学毕业那年暑假,我在一个中学的图书馆一口气看完了卞德培先生写的《神秘的宇宙》。当我看到木星附近两个小行星群和木星构成一个几乎等边的三角形,稳定前进,符合三体运动稳定解的那一部分时,被深深震撼了。

我本科期间的专业是工科。大三时,我选修了一门天文选修课,给老师留下了深刻印象,他建议我去读天体物理研究生,而我当时却更钟情数学和理论物理,没有采纳这个建议。但几经曲折之后,我最终还是进入了天体物理这个领域。还是逃不过“真香定律”啊。

怎样才可以从事天文研究?

当然是先进入一个天文本科专业或者研究生专业啊!和其他学科一样,在大学或者研究所接受系统而扎实的训练,是进入天文专业的最可靠途径。

我国现在有十几所大学招收天文本科生,其中拥有最好的天文系的大学有三个(按照英文首字母排序):北京大学、南京大学、中国科技大学。至于这三个大学的天文专业,哪一个是全国第一,我个人觉得这是一个无解的问题,因为三个大学都有人认为自己学校的天文系全国最强,而且事实上这三个也是各擅胜场。

读研期间,我主要研究超新星有关的领域。期间也遇到过挫折。后来终于在大量阅读的基础上,看到了某个超新星能源理论的缺陷后,立即想到了可以解决这个缺陷的方案,很快就将论文完成,投到美国 The Astrophysical Journal(《天体物理学杂志》,ApJ)后仅9天就收到审稿人的高度评价,迅速发表。这是我在天体物理方面的第一篇英文论文,后来被哈佛大学小组多次引用,论文里面提出的修正方案也被哈佛大学小组写入其模型程序包里。

有了第一篇论文打底,后面的局面也就打开了,也顺利进入博士阶段,期间到国外联合培养一年半,然后于2018年回国拿到博士学位。到现在为止,与合作者一起写了20多篇论文,大部分已经发表在ApJ。对于所有想读天文专业的学生,我能说的就是:遇到困难时,要有好的心态,坚持下去,就有转机,实在没有出路,大不了换专业。如果真的喜欢这个学科,请热爱它,并努力地去研究它。

除了上述拥有最强天文系的三所大学之外,国内招收天文本科的大学还有(不分顺序):清华大学、北京师范大学、厦门大学、中山大学、云南大学、中国科学院大学、上海交通大学、河北师范大学、西华师范大学等。

有些大学虽然尚未建立天文系或者“物理与天文系”,但却开设天体物理中心或天体物理研究所,或者在物理专业中开设天文班,培养天文类学生,如:武汉大学、华中师范大学、上海师范大学、广西大学、广州大学、天津师范大学等。对于热爱天文的高中生,可以综合自己的学习成绩与对学校的偏好来选择报考的大学。

而对于想成为国内天文研究生的学生,可以选择的目标更多。首先,上面列举的绝大部分大学都有天文研究生专业;此外,还有中国科学院系统的各大天文台与研究所可以去:国家天文台、高能物理研究所、紫金山天文台、上海天文台、云南天文台、新疆天文台等。这些天文台与研究所都有各自的特点,大多数有很强/非常强的科研实力。如果想学习制造天文望远镜有关的天文光学技术,中国科学院的南京天文光学技术研究所、长春光学精密机械与物理研究所等研究所则是非常好的选择。

申请出国读天文本科或者博士,也是一个不错的选择。国外好的理工类大学大多数有天文学专业,有些人文为主的好大学也有天文本科专业。只要花点时间就可以了解到一些重要信息。

最后,要对那些已经成年的读者说的是,天文虽然是一门科学,但也是一门浪漫的学科:四五千年前,美索不达米亚的苏美尔人白天放羊、晚上看星星,把天上的星星想象为天上的羊群;三四千年前,古巴比伦人划分出了十二星座,流传至今;现在,各种各样强大望远镜得到绚丽多姿的星云与星系图。

80厘米F4 GSO 反射望远镜安装 Canon EOS 550D 相机拍下的 NGC2237,即著名的“玫瑰星云”| Andreas Fink/Wikimedia Commons

如果你学了天文学,再学一点诗词歌赋,那你就可以陪着自己喜欢的人“看雪看星星看月亮,从诗词歌赋谈到人生哲学”了。

致谢:感谢我父亲王允良先生当年没有因为我撕了他的那套书而揍我,让我可以以正常的智力从事科研;感谢我妻子邹莎莎阅读了全文并发现三处笔误。

(编辑:Yuki)

The End

发布于2019-08-31, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

我的评论

王善钦

天体物理学博士(南京大学与加州大学伯克利分校联合培养),研究超新星以及其他各类天体爆炸后产生的光学辐射现象。

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