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王晓锋:破解宇宙“烟花”的秘密

来源:科技日报2021-11-08 09:41

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  当某些类型的恒星演化至生命末期,发生剧烈的高能爆炸,这种现象被称作超新星。爆炸的光芒通常可以照亮整个星系,清华大学物理系教授王晓锋将其形容为“一场宇宙的‘烟花’”。王晓锋想象过,如果人类能够站在宇宙的边缘,将会看到宇宙空间中此起彼伏的“烟花”绽放,而他就是追逐“烟花”的人。

  在过去的一年,利用清华大学—马化腾巡天望远镜(TMTS),王晓锋团队在观测到的188个LAMOST天区中发现了超过3700个周期短于7.5小时的周期性变源候选体,该发现对理解恒星(双星)演化物理以及空间引力波源等研究具有重要意义。10月2日,详细介绍TMTS第一年巡天结果的文章在线发表于《皇家天文学会月报》。

  喜事接二连三。不久前,第三届“科学探索奖”获奖名单公布,王晓锋凭借其在超新星领域的多项开创性成果名列其中。

  抓住机会闯入超新星世界

  回忆起与天文学结缘,王晓锋想起了童年的一个夏夜。“天气炎热时,我们家会把门板拆下来架在长条凳上,放在院子里,我和哥哥、姐姐就睡在上面,数着头顶的繁星,我很快就能睡着。”那时的王晓锋虽然还不知天文学为何物,但已对宇宙有了无限想象。

  高考后填报志愿,他选择了北京师范大学天文学专业。上世纪90年代,天文学仍属小众、冷门的基础学科,“班上人不多,最开始有15个人,后来转走了2个”。

  刚上大学的新鲜劲儿还没过,王晓锋便开始担心起毕业后能干什么,于是他给自己定下了读研的目标。“那时,同学们周末会出去玩,但我很焦虑,不敢去,就只能学习。”本科毕业时,班上有两人被保研,王晓锋是其中之一。

  但读了研,困难才刚刚开始。那时,北京师范大学尚无天文观测设备,“天文学研究依靠观测驱动,需要一手数据”。在此之前,王晓锋的师兄师姐会被导师推荐至拥有观测设备的中国科学院国家天文台(当时为北京天文台)进行联合培养。但王晓锋却被导师留在了身边,焦虑再次笼罩了他。“当时真有点着急,就想老师为什么不送我去?”他说。

  接触不到一手数据,王晓锋只能自己摸索,“当时导师给了我几篇预印本的文章,我就自己边看边琢磨”。王晓锋试着将文献中的数据摘取出来,进行二次分析。“我只能用别人的数据做一些复现的工作,但连着几次投稿国际顶级期刊均被拒绝,反馈意见都是缺少一手数据,没有创新发现。”王晓锋对未来的学术道路感到迷茫。

  就在博士即将毕业时,一个偶然的机会,王晓锋得知中国科学院国家天文台施密特望远镜团组招收博士后。“当时,我就想着一定要去。去了之后,我发现他们有一些近十年的超新星爆发前数据,这让我特别惊喜。”他说。

  终于有机会获取一手观测数据,王晓锋的潜力被彻底激发出来。凭着学术积累和数次尝试,他提出了Ⅰa超新星光度校准的温度方法,引起国际同行的极大关注。而后,接连两篇重磅文章发表于《天体物理学杂志快报》。“这在天文学领域差不多是仅次于《自然》《科学》的期刊。我感觉自己的人生一下子‘开挂’了。”他回忆道。

  王晓锋觉得,自己终于真正迈进了科研领域,他也明白了读博时导师对自己说过的话:在学术研究的道路上,导师负责把你领进门,修行好坏主要在个人。

  用研究成果“裁断”学界争论

  2004年底,王晓锋博士后出站,来到刚刚成立的清华大学天体物理中心。他利用一台80厘米天文望远镜开展超新星搜寻和后续观测研究,并在2005年末成功发现了3颗新爆发的超新星,开创了国内高校天文发现的先河。但他并未就此止步,他想去更大的平台磨炼自己。

  2006年夏,王晓锋进入美国加州大学伯克利分校从事博士后工作,那里是国际超新星观测研究的中心。在那里,王晓锋做出了他在超新星领域最具代表性的研究成果。

  此前,根据不同的观测结果,国际天文界认为Ⅰa型超新星的形成存在两种理论模型。他们认为一颗普通的白矮星无法引发超新星爆发,需要吸积周边的伴星物质或与另一颗白矮星并合,才能达到爆炸极限。相对应,这两种不同的模型分别被称为单简并模型和双简并模型。此外,还有观点认为,不同的Ⅰa超新星可能源于同一个爆发模型,观测差异是由于观测角度的不一致造成的。此争论在学界相持不下,谁也无法说服谁,而王晓锋则用研究结果回答了这个问题。

  2008年,王晓锋团队在研究爆发于近邻M100星系中的一颗Ⅰa型超新星SN2006X时,发现其爆炸抛射物向外扩展的速度约为16000千米/秒(光极大时),而普通的Ⅰa型超新星则仅为10000千米/秒。王晓锋针对这一差异,立即对大量Ⅰa型超新星的光谱数据进行了系统研究分析。他将Ⅰa型超新星进一步分类为高速与低速两种类型,并以此分类为基础,结合超新星爆发时其所处寄主星系的位置以及爆炸前所在星族位置等信息,进行统计研究。王晓锋最终发现,高速Ⅰa型超新星与低速Ⅰa型超新星具有不同的本征亮度,它们也存在着完全不同的诞生环境。而后他进一步研究发现高速Ⅰa型超新星的前身星具有较高的金属含量、较丰富的星周物质以及较明显的爆炸非对称结构;而低速Ⅰa型超新星则没有这些特性。

  这一结果从观测上完美呼应了两种理论模型,高速Ⅰa型超新星可能来源于单简并演化,而低速Ⅰa型超新星则主要来源于双简并演化。这一成果使得寻找性质更均匀的Ⅰa型超新星亚类成为可能,对于超新星宇宙学应用有重要意义。

  相关成果发表后,在国际天文界引发热烈反响。美国天文学会前主席克雷格·惠勒(Craig Wheeler)在文章发表两天后发来邮件说:这是个了不起的成果!

  期待目睹完整的超新星爆发过程

  王晓锋至今记得,当他去美国加州大学伯克利分校,看到其数十年积累的巡天数据时的那种震撼。“差距确实很大,我们的光学天文基础相比要弱很多。”王晓锋希望尽自己所能推动国内该领域的研究,“我觉得自己有一些责任在里面”。以清华大学为中心,他组织起了跨单位、跨地域的国内时域天文学组会,希望带动更多的年轻人投入到超新星和时域天文学研究当中。

  王晓锋培养的学生范围很宽,从高中生一直到博士生,针对不同的学生他有不同的教育方法。“高中生不要求有什么重要的科研成果,我主要是引导他们发现问题、思考问题,培养基本的科研思维。”而对于研究生,王晓锋则因材施教,“有想法的学生就给他们空间让他们自己去做,暂时没什么好想法的就多带一下。”虽然年轻时对当老师不感兴趣,但如今的王晓锋显然在人才培养上颇有心得。

  展望未来,王晓锋认为,要做出世界级的科研成果,我国还需要发展通用大口径光学红外望远镜,“至少要媲美欧美十米级的光学红外精测望远镜”。而接下来他最期待的,莫过于预计将在2024年发射的中国空间站工程巡天望远镜(CSST)。以此为基础,王晓锋将目标瞄准了哈勃常数的精确测量。

  “美国能测量哈勃常数,是因为他们有哈勃空间望远镜,以此能分辨出河外星系的单个天体。”他说,有了CSST,我国也将具备此种能力。“CSST的视场比哈勃空间望远镜要大300倍,这有助于我们进一步精确哈勃常数,以澄清当前的宇宙学危机问题。”

  王晓锋认为,任何科学技术的进步,都离不开综合国力和社会力量的提升。而他作为一线科研人员,受惠于此,感受颇深。“我们这代人赶上了好时候,国家层面和社会企业都给予我们很多帮助,这激励我们做出更多出色的成果。”他说。

  王晓锋要感谢的,还有浩瀚宇宙。“每当因为一些琐事烦恼时,我就会抬头看看星空,和这亿万年的宇宙相比,我们人类的那些事又算什么呢?”他说。

  王晓锋还有个愿望,他希望能用肉眼目睹一次完整的超新星爆发。“上一次记载人类观看到超新星还是在1604年,下一次是什么时候,谁也不知道。”王晓锋有足够的耐心等待,他知道,在宇宙深处,总有“烟花”在悄悄绽放。(都 芃)

[ 责编:蔡琳 ]
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