“現(xiàn)在的仙女座星系到底是什么樣子，必須要250萬年之后我們才能看到。它是什么時候形成的？怎么形成的？如何演化的？將來會變成什么樣？”
范舟
中國科學院國家天文臺青年研究員
從望遠鏡到天文巡天
大家好，我是來自國家天文臺的范舟，很高興跟大家分享我給星星和星系做人口普查的過程。
提到天文，大家可能首先想到的就是星空。星空非常美麗，有時候你一直看著星空，心中會涌現(xiàn)一種莫名的感動，感覺人類特別渺小。
這張圖片拍攝的是國家天文臺興隆觀測基地的夜景，非常漂亮，大家有機會可以前去參觀。
在仰望星空的時候，很多人都會思考，天上的星星到底有多大？宇宙里面到底有多少顆星星？宇宙有沒有邊界？如果有邊界，宇宙外面又是什么呢？
遠古時代，人類就一直仰望星空，思考各種和星空有關(guān)的問題。不過長期以來，人類一直都是用肉眼觀測星空，而由于肉眼視能力的局限性，人們很難觀測到特別暗、特別遠的天體。
伽利略一小步 人類的一大步
直到400多年前，伽利略第一次把望遠鏡指向星空，看到了人類肉眼無法看到的東西，比如月球上的環(huán)形山和山谷；太陽不但有黑子，它還在自轉(zhuǎn)；金星和月亮一樣，也有陰晴圓缺；木星不僅僅是一個光斑，它周圍還有四顆衛(wèi)星，后來被命名為伽利略衛(wèi)星。
這是一個里程碑式的事件，從此之后，人類開始使用各種工具探索宇宙，并且進入了一個制造望遠鏡的競賽時代，因為制造出更大口徑的望遠鏡，意味著可以看到更遠的宇宙，更暗弱的天體。
18世紀末德國有一位著名的天文學家，叫威廉·赫歇爾，他是制造望遠鏡方面的專家，一生建造了上百架天文望遠鏡。
這張圖片中的望遠鏡就是他研制的1.2米口徑望遠鏡。這個望遠鏡非常大，和圖中房子一比就更明顯了。
雖然它非常笨重，操作起來也不方便，但由于口徑夠大，所以借助它威廉·赫歇爾看到了很多之前無法看到的星體，如天王星以及天王星的衛(wèi)星。
后來，隨著科技的進步，人類制造出了更大的望遠鏡。比如這張圖中的胡克望遠鏡，它是一個名叫胡克的富商于1917年資助建造的，口徑為2.5米。
關(guān)于這個望遠鏡還有非常一個有趣的故事。這張照片中正在使用望遠鏡的人是愛因斯坦，他身后叼著煙斗的是哈勃。大家知道，愛因斯坦提出了廣義相對論，建立了宇宙模型。
但他剛把宇宙模型建起來，就非常驚訝地發(fā)現(xiàn)，宇宙居然是在膨脹的。愛因斯坦自己也嚇了一跳，他覺得不可能，如果宇宙在膨脹，人們該有多不安??！于是他在宇宙學狀態(tài)方程中加入了一個常數(shù)，用以保持宇宙的恒定不變。
后來，哈勃用胡克望遠鏡觀測到了很多星系，發(fā)現(xiàn)幾乎所有星系都在遠離我們，所以得出“宇宙在膨脹”的結(jié)論。至此，愛因斯坦感到非常懊悔，他覺得自己加入宇宙常數(shù)的做法是一個很大的錯誤，以至于后來他覺得這是他人生當中最大的錯誤。
之后還有很多新的望遠鏡誕生。這個5米口徑的海爾望遠鏡建成于1948年，此后的40多年時間里，它一直是全世界像質(zhì)最好、口徑最大的望遠鏡。
雖然20世紀70年代，蘇聯(lián)曾造過一個6米口徑的望遠鏡（BTA），但那個望遠鏡在設(shè)計和建造過程中有一些缺陷，效果并不是很好，影響力也不是很大。海爾望遠鏡的記錄一直保持到1993年凱克望遠鏡的出現(xiàn)。
科技的進步讓望遠鏡越做越大，甚至出現(xiàn)了像哈勃望遠鏡這類的空間望遠鏡。但是這些望遠鏡早期都局限于觀測單一的天體。想對星系整體或恒星整體進行全面的統(tǒng)計性的了解，用這種觀測模式顯然不行。于是就產(chǎn)生了另一種方式的觀測模式——天文巡天。
國外天文巡天
天文巡天就是對天空進行大范圍的觀測，甚至進行全天的觀測，這有點兒像人口普查。
比如，我想研究北京回龍觀地區(qū)居民的職業(yè)情況，如果我只是對周圍做IT行業(yè)的幾位朋友進行調(diào)查，我就很容易得出“回龍觀地區(qū)從事IT行業(yè)的人很多”這樣的錯誤結(jié)論，因為我選擇的樣本不夠大，調(diào)查的范圍不夠廣。
只有觀測的范圍足夠廣，調(diào)查的數(shù)據(jù)足夠多，才能得到相對全面且正確的結(jié)論。
實際上，200多年前的人們也做了一些類似巡天之類的工作，法國天文學家梅西耶就根據(jù)觀測做出了梅西耶星云星團表。表中包含了110個天體，比如M31仙女座星系，在梅西耶星表里就排第31位。
M1是什么？它是蟹狀星云，是一個超新星遺跡，它的發(fā)現(xiàn)也有中國人的一份功勞，因為中國史書上有關(guān)于1054年出現(xiàn)超新星事件的觀測記錄。通過對蟹狀星云的觀測結(jié)果，人們最終推算出來，M1應(yīng)該是在中國宋朝的時候爆發(fā)的，所以和歷史記載很好的吻合。
前一段時間人類首次拍攝到的黑洞照片拍攝的就是M87星系。這個星系從圖上看似乎比較小，實際是一個非常巨大的橢圓星系，中心有一個60億倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。
直到現(xiàn)在，梅西耶星表到也非常流行，每年3月底全世界都會舉行梅西耶馬拉松——北半球的天文愛好者會拿著小型望遠鏡對星空中的梅西耶天體進行觀測，一晚上把梅西耶星表里面所有星云、星團和星系都觀測一遍。
這個活動對天文愛好者的要求非常高，要求他們既要有認星的能力，還要有拍照的能力，而這也能檢驗天文愛好者的水平高低。
除了梅西耶星表，還有一些代表性星表，比如NGC星表（星云和星團新總表）。NGC星表包含的星云、星團、星系的數(shù)量更多，有7000多個，星表里一一記錄了它們對應(yīng)的編號、位置、亮度、距離等信息。
其實，如果把這些星表拿出來，你會發(fā)現(xiàn)，實際只是一個文字的表，記錄了一些最基本的信息，并沒有照片。那個有圖的版本是后人根據(jù)拍出來的照片做了更形象化的補充，這樣就可以和實際拍的進行比較，用起來就非常方便了。
為什么當時這些星表只有文字呢？主要是因為當時記錄成像的技術(shù)并不是那么成熟，大家拿望遠鏡可以看到很多天體，但要真正記錄下來卻很難。
當然，有一些天文學家畫畫的功力比較好，可以用素描的形式將觀測到的星體畫出來。試想，如果那時每個觀測者都有智能數(shù)碼相機或智能手機，他們把相機或手機往望遠鏡的目鏡那兒一裝，就都能拍下來觀測的天體了。
一直到1950年左右，當拍照技術(shù)發(fā)展得比較成熟后，才有一些廠商有能力提供大批量高質(zhì)量的照相底片供天文觀測拍照使用。于是出現(xiàn)了對天文學產(chǎn)生深遠影響的帕洛馬巡天計劃。
之前人們使用的星表其實都是文本文件，而帕洛馬巡天星表卻是有有大量照片（圖像）組成的。帕洛馬巡天由美國國家地理協(xié)會和帕洛馬天文臺聯(lián)合開展，對北半球天空進行全天巡天觀測。
每次拍一張照片，最后把所有拍出來的照片合并成一張非常大的照片。大家想查某個天體，只用翻看這個有圖像的星表，就能看到它的位置、形狀和大小，甚至它周圍有沒有別的星體都能看得非常清楚。因此帕洛馬巡天在天文巡天觀測上可謂一個巨大的飛躍。
20世紀70年代，為了獲得南半球的天體資料，人們利用澳大利亞英澳天文臺的UK Schmidt望遠鏡對南半球做了巡天，后來將南、北半球的觀測數(shù)據(jù)進行結(jié)合，形成了一個巨大的數(shù)據(jù)庫。
隨著電子化技術(shù)的提升，人們又把這些照片的底片進行了數(shù)字化操作以供人們從網(wǎng)上下載使用。所以通過一些網(wǎng)站，現(xiàn)在的人們能很方便地搜到相關(guān)天體的詳細圖像資料。
這張圖片是帕洛馬巡天的一個截圖，它看起來和現(xiàn)在大家平時拍的照片差別比較大，它不但是黑白的，而且還非常模糊，還有很多噪聲。不過限于當時的技術(shù)，它已經(jīng)是一個巨大的飛躍了，它為后來很多的巡天計劃，比如斯隆數(shù)字化巡天SDSS等，都提供了很好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
中國的巡天工作
剛才說了很多國外的巡天，中國的巡天工作是怎么發(fā)展起來的呢？
中科院院士、國家天文臺研究員陳建生老師曾在20世紀七八十年代前往澳大利亞國家天文臺訪問，當時帕洛馬巡天在國際上非?；鸨?，影響力非常大，他也深受啟發(fā)。
回國后，陳院士利用國家天文臺興隆觀測基地的一個60公分口徑的施密特望遠鏡，裝配上不同顏色的濾光片對天空進行大視場巡天。
之所以用不同顏色的濾光片，是因為它們透過的光的波長是不一樣的，通過觀察不同波長的天體的能量，就能得到一個能譜，然后對其進行物理分析。
BATC巡天:中國早期的大視場多色巡天
當時的巡天還配備了一個CCD（電荷耦合器件）相機，今天手機里也有類似運用，攝像頭的前面是用于光學成像的鏡片，后面是一個記錄成像的儀器，手機一般用CMOS（互補金屬氧化物半導體），CCD性能更高級一些。
專業(yè)天文觀測的常用的CCD/CMOS相機不僅可以用來記錄，拍出來的信息還能直接數(shù)字化，直接存到電腦里，非常方便。
這個巡天概念是20世紀90年代提出并開展起來的，可謂非常超前和新穎，一經(jīng)提出，就受到很多研究機構(gòu)的積極響應(yīng)，比如亞利桑那、臺灣、康尼狄格的高校和研究所，所以當時這個巡天也叫“北京-亞利桑那-臺灣-康涅狄格巡天”（簡稱BATC巡天）。
其中的小行星巡天非常有意思，它相當于對小行星進行人口普查。做小行星巡天也需要一個比較大的視場，當時大家用的都是口徑較小的望遠鏡。
從1995年開始，7年的時間里面，這個巡天就總共觀測得到了2707顆有暫定編號的小行星，而且都是新的小行星，之前別人并沒有發(fā)現(xiàn)的。其中500多顆小行星擁有永久命名權(quán)。
從列舉的這些小行星命名中，大家可以看到，有些是科學家的名字，有些是作家的名字，還有些是著名院校的名字或地名。
為什么會用金庸的名字來命名小行星呢？這是因為以前天文學家們觀測的時候非常“孤單、寂寞、冷”，經(jīng)常需要輪流在深山里連續(xù)觀測一兩周或者更長的時間。當時也不像現(xiàn)在人手一部智能手機，可以刷刷朋友圈打發(fā)業(yè)余時間。
當時觀星之余，當時大家都喜歡閱讀金庸小說。很多天文學家都是金庸迷，所以就申請用金庸的名字來命了一顆小行星。
還有一顆小行星的名字叫“南仁東星”。大家都知道，南仁東老師是中國“天眼”的發(fā)起人和奠基人，還是時代楷模，鑒于他對我國大科學裝置的巨大貢獻，所以用他的名字命名了一顆小行星。
再比如，國家天文臺屬于中國科學院，承載中國科學院重要教學任務(wù)的大學是中國科學院大學，所以我們也申請用一顆小行星命名為“國科大星”。
仔細看這張動圖。望遠鏡指向的天區(qū)位置不動，對同一個天區(qū)進行不同時段連續(xù)拍攝后發(fā)現(xiàn)，圖像最中間的地方有個亮點在移動，因為背景恒星是不會動的（在這么短的時間內(nèi)），所以這個移動的亮點很有可能就是一個小行星。
然后，我們把這個移動天體的信息發(fā)送給國際小行星中心，和數(shù)據(jù)庫里已有的信息進行比較，以鑒別它是否是新的小行星。如果是，我們就是發(fā)現(xiàn)了一顆新的小行星，也就擁有它的命名權(quán)了。
在巡天項目里，除了要給小行星查戶口，還要給近鄰的星系查戶口，看看周圍有多少個星系，它們長什么樣子。
當時我個人最感興趣的星系就是仙女座星系，也就是梅西耶星表里的M31。它距離我們有250萬光年，也就是說，我們現(xiàn)在看到的仙女座星系，其實是它250萬年之前的樣子。現(xiàn)在的仙女座星系是什么樣子，我們必須要再等250萬年才能看到。
仙女座星系非常漂亮，它周圍有一些塵埃和氣體的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，從圖上還能看到兩個小的矮星系M32和NGC205（實際上周圍有更多）。如果現(xiàn)在在網(wǎng)上搜有關(guān)星系的圖片，搜到的很多都是仙女座星系。
不過對于科學家來說，我們關(guān)注的不是它漂亮與否，而是它的起源。它是什么時候形成的？它是怎么形成的？它的演化進程是什么樣的？它將來會變成什么樣？
球狀星團
大家知道，我們主要依靠化石來研究地球的起源。那對仙女座星系而言，有沒有可供研究的化石呢？有，它就是球狀星團。
球狀星團是幾千顆到幾百萬顆恒星的集合體，它記錄了星系早期形成時的重要信息，是一個星系形成和演化的活化石。
不過不幸的是，我們在地球上很難看到仙女座星系中球狀星團里的單顆恒星，一是因為仙女座星系離我們太遠了，二是因為大氣的湍流會把所有的星象都變成模糊的一團。所以，我們從地球上看仙女座星系的球狀星團，其實就是一個個非常暗弱的光點。
BATC多色濾光片
僅僅一個模糊的點，我們要怎么去研究它呢？看似無從下手，但科學家還是有很多辦法的，比如剛才提到的多色濾光片。結(jié)合研究不同波長處的天體的能量，可以得到一個能譜。
同時，一些做星族合成模型的理論天文學家可以通過恒星的模型計算出很多星族的模型，通過這些星族的模型，他們又可以計算出具有不同年齡和化學組成等信息的能譜。
模型匹配
這些理論的能譜相當于一個巨大的數(shù)據(jù)庫，我們拿著觀測到的數(shù)據(jù)與之進行匹配，如果匹配上了，就說明它符合某個模型的物理信息。
經(jīng)過研究，我們最后得到了仙女座星系形成和演化的關(guān)鍵信息。在這之前，很多人認為仙女座星系是大坍縮形成的，或者是吸積旁邊的矮星系后慢慢形成的。
但經(jīng)過研究，我們發(fā)現(xiàn)它的形成是這兩種機制的結(jié)合，即早期大坍縮和后期吸積周圍的矮星系綜合作用最終形成了目前的仙女座星系。
雖然對銀河系臨近的仙女系星系做了普查和研究，但實際上，近年來人們還有很多新的發(fā)現(xiàn)。
仙女座星系和三角座星系近年來的新發(fā)現(xiàn)
近年來的深場觀測發(fā)現(xiàn)，仙女座星系M31和三角座星系M33之間有很強烈的相互作用，導致很多星流的產(chǎn)生。
星流產(chǎn)生的過程非常劇烈，但更劇烈的是，通過哈勃望遠鏡10年的觀測和Gaia衛(wèi)星的高精度觀測發(fā)現(xiàn)，45億年之后，仙女座星系會和銀河系發(fā)生碰撞。不過這個碰撞的過程相對緩和，就像跳華爾茲一樣，兩者先接近，再遠離，然后再彼此接近，若干回合后最終合并成一個巨橢圓星系。
一說到碰撞，大家一定覺得非?？膳?，認為兩個星系相撞后，地球一定就毀滅了，其實并不是。因為星系里恒星的密度是非常低的，恒星幾乎不可能發(fā)生碰撞，行星碰撞更不會發(fā)生了，所以大家不用擔心地球會因為星系的撞擊而毀滅。
相反，我們要擔心的是，45億年之后的太陽可能會變成一個紅巨星，如此就會發(fā)生像電影《流浪地球》里描述的場景，炙熱的太陽會極度膨脹從而吞沒水星和金星，地球也會變得異常熾熱。希望到那時，人類會采取一些避難的方法，比如流浪地球，或者搬到其他宜居行星上去居住。
通過宇宙中大樣本的星系觀測研究發(fā)現(xiàn)，星系之間的相互碰撞和并合是普遍存在的。研究了這么多星系，并不代表我們對自己身處的銀河系的研究就十分透徹，事實上正好相反。正是因為我們身處銀河系，所以才“不識廬山真面目，只緣身在此山中”。
太陽所處的銀盤區(qū)域的恒星非常密集，也非常明亮，我們的視線會被周圍的恒星、塵埃所遮擋，另外銀河系中心的核球也非常明亮，也會遮擋我們的視線，這些都導致我們對很多天體很難進行研究。
但是天文學家對于困難是毫不畏懼的，相反天文學家們制造了很多望遠鏡來對銀河系進行深入觀測和研究。
我國自主研發(fā)的郭守敬望遠鏡（LAMOST大天區(qū)面積多目標光纖光譜望遠鏡）一次可以觀測三千多個恒星的光譜，通過它的觀測，我們現(xiàn)在已經(jīng)得到1000多萬條恒星光譜。
通過它，我們可以知道這些恒星的物理信息，比如溫度，化學組成，以及它們到底是矮星還是巨星。
還有歐洲的蓋亞Gaia衛(wèi)星，它可以準確地進行恒星測距。當然，光有這些望遠鏡還不夠。因為銀河系里有幾千億顆恒星，而我們現(xiàn)在觀測到的只是幾千萬顆恒星，相當于萬分之一的采樣率，這好比我們從一萬個人中選一個人當代表，采樣率太低，因此我們要做更大樣本的巡天。
SAGE測光巡天使用的望遠鏡
在國家天文臺的發(fā)起之下，我們進行了SAGE（恒星豐度和星系演化）測光巡天。該項目利用美國亞利桑那大學Steward天文臺2.3米Bok望遠鏡、新疆天文臺南山1米望遠鏡以及烏茲別克斯坦1米望遠鏡進行北天天區(qū)的多色測光觀測。
Bok望遠鏡的觀測室
比如我們使用的Bok望遠鏡，它位于美國在亞利桑那州的一個高山——基特峰上，那里的大氣透明度優(yōu)良，大氣視寧度也比較穩(wěn)定。這張照片記錄了我們的同事正在觀測室進行觀測的工作狀態(tài)。
是的，現(xiàn)在我們的工作并不像大家想的那樣，需要站在望遠鏡下用眼睛去觀看，而是通過計算機來控制望遠鏡，通過計算機來進行曝光，觀測完的數(shù)據(jù)也是記錄在計算機里的。所以，以前天文學家觀測時非常辛苦，可能會“孤單、寂寞、冷”，但現(xiàn)在實際上我們并不孤單。
因為在亞利桑那州有很多高大的仙人掌，還有非常多的動物，比如美洲虎、響尾蛇和熊。別以為這些動物都被關(guān)在動物園里。
一天早上起床后，我們發(fā)現(xiàn)宿舍的紗窗上有幾個類似于熊的爪印，想起來管理人員之前告訴我們，當時山上有熊出沒，因為熊有時會跑到游覽中心翻找食物，所以如果人類遇到它們，還是比較危險的。
管理人員隨即趕上山給我們送來了一些驅(qū)熊的辣椒噴霧和喇叭，并對我們進行了防熊的培訓，告訴我們一旦遇到熊，可以用噴霧，這些噴霧是用墨西哥的魔鬼辣椒制作而成的，非常辣，只要一噴，熊肯定就不敢過來了，幸運的是直到觀測結(jié)束我們都沒有遇到熊。
現(xiàn)在我們的巡天已經(jīng)進入了尾聲，觀測已經(jīng)基本上結(jié)束了，還剩余一些掃尾工作。巡天結(jié)束后，用觀測的數(shù)據(jù)我們可以做很多研究，比如研究恒星是怎么誕生的，第一代恒星的起源，研究白矮星（大家都知道，太陽演化到晚期會變成一顆白矮星）。我們有了巨大的恒星觀測樣本，就可以對銀河系的結(jié)構(gòu)和演化得出更多更深入的認識。
做了這么多年的巡天工作，我想說一下我個人的感受。天文學就像一座宏偉的大廈，大家看到的只是大廈的頂端，耀眼的諾貝爾獎，比如發(fā)現(xiàn)引力波，比如宇宙的加速膨脹，等大科學成就。
實際在這座大廈的底端，還有很多像我們這樣最基層的觀測人員。通過日積月累的長期觀測，得到了大量可靠的、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，這樣才能支撐著天文學這座宏偉的大廈。所以，作為一名基層觀測人員，一名巡天項目的觀測人員，我感覺非常自豪。
