天文学家到底是干嘛的？

本文来自公众号：格致论道讲坛（ID：SELFtalks），作者：郝蕾，天体物理学家、中科院上海天文台研究员，原文标题《天文学家不是搞天气预报的，也不是研究外星人的，更不是聊星座的 | 郝蕾》，题图来自：视觉中国

提起天文，大家可能感觉既熟悉又陌生。每个人都可以仰头看星星看天空，但天文学究竟是什么呢？

我与陌生人聊天，跟他们谈起我是做天文的时候，得到的反应是五花八门的。有的人会跟我聊天气，说你们天气预报怎么不准呢？有的人会跟我说，你知不知道外星人、UFO是怎么回事？还有人会跟我聊星座……

其实这些都不是我们平时所说的天文研究。

靠谱一点的，会跟我提到太阳或者星星之类。当然，还有一类非常可爱的天文爱好者，他们对我们专业会更了解一些。

他们有时候会亲自去做一些天体拍摄，这些照片把一些平时看不到的美景带到我们面前，非常令人感动。

天文学家，聆听宇宙的故事

不过即使是这些美丽的照片，和我平时接触到的天文研究，也还是有点差距的。我们究竟是在做什么呢？

其实天文真正让我心潮澎湃的，并不是这些美丽的照片，而是这些照片背后呈现出来的故事，以及我们如何去破译这些故事的过程。

其实我一开始并不是做天文的，我是在研究生的时候才转入天文专业的。

那个时候，因为要准备一个学期报告，就开始系统地读一些文献，然后就惊异地发现，“哇，天文学家怎么对我们的宇宙、对恒星、星系知道的这么多！”

比如说，我们都知道宇宙是膨胀的，可是天文学家居然知道这个膨胀是加速进行的，也就是说，它膨胀得越来越快。

而且这些结论还不是胡说，它是有事实有根据，有一定逻辑关系的。而且，这样子的逻辑推理我读起来也能理解，觉得它合情合理。当时，这个对我震撼非常大。

我发现宇宙好像一本书，以前我只看到封面美丽的图片，现在我开始读里面的内容了。慢慢的，当我看到这些美丽天体的照片的时候，我不仅仅只是惊叹：“哇，好漂亮，太震撼了”，而是开始读里面的内容。

比如说，有的星系它是有结构的，像有的星系中心有雪茄一样的棒旋结构，有的有螺旋一样的结构；而有的星系是没有结构的。碰巧这些没有结构的星系，它的颜色看上去更红一点，而那些在漩涡里面的星系，感觉更蓝一些。

天文学家就是通过研究这些天体的模样、形状、大小、颜色，以及它发出来的各种各样的光谱，来推测、聆听它们给我们讲的故事。

比如说宇宙是怎么来的，它将要演化到什么状态？我们现在这个状态的银河系是怎么来的？我们的太阳又是怎么出现的？

我们的太阳最后会有一个什么样的命运，这样的命运对我们地球是一种什么样的影响？还有没有像地球这样的行星等等这样子的故事。

我给大家举一个例子，看我们怎么去阅读我们的宇宙。大家都知道我们生活在银河系里，对吧？那么有多少人亲眼见过银河系？

好像有一些，但不是特别多。很遗憾，现在很多人生活在城市里面，城市的灯光太亮了，银河系表面亮度是很低的，所以在城市很亮的情况下就不太容易见到银河了。

这张图片拍摄的是一个比较震撼的银河系照片，它拍摄于美国北部的一个国家公园里。

如果你把这个银河系照片的样子拉直，然后把中间很亮的地方放在中心的话，你可以看到，我们的银河系相当于一个全景图，它看上去像一个盘子的形状，然后中间会更亮更厚一些。

我问大家两个问题。一个是你觉得在银河系里面，太阳大概在什么位置？还有，如果我们从上往下看银河系的话，这个银河是什么样子？

其实回答这样的问题，恰恰就是天文学家在银河系领域比较热衷的研究方向。

称称银河有多重

我们怎么做呢？我们通过测量不同恒星离地球的距离，以及它们的运动状态，通过建立某种模型来推测、重新构建银河的样子。

假如我们从上往下看银河的话，银河系的中心有一个雪茄样的棒旋结构，颜色偏红，因为它有很多年老的恒星。

在这之外，有若干的旋臂，到底是三条、四条还是五条六条，是现在大家争论的焦点之一。

太阳大概在这幅图靠下的地方，距离银河系中心大概有27000光年的样子。

我们还知道，银河系里面有很多像太阳的恒星，它们的质量有的比太阳大很多，有的比太阳小很多。

如果我们把这些恒星的质量加起来，可以得出，银河系的质量大概是五百亿个太阳质量这么大。

我觉得这是一个很酷的数字，为什么呢？感觉我们就像上帝一样，拿着一把秤，称银河系到底有多重。

实际上更有意思的是，天文学家发现，银河系里的总质量应该远远比所有恒星加起来的质量要大得多。

有多大呢？应该至少有6000亿个太阳质量这么大。

天文学家为什么会这样说？是因为银河系必须有这么大的质量，才能拽着银河系里的某些恒星高速转动。

比如说，太阳现在也以每秒220公里的速度绕着银河系转动，这个数字大家可以静心想一下是什么意思。

就是说，我们现在坐在这里似乎没有动，但如果在宇宙的框架下来看，我们实际上是动得非常快的。

假设我们不算地球的公转、自转，不算银河系自身的运动，仅仅算太阳绕着银河系的转动，我们每秒就已经飞出去了220公里了。

这么高的速度就要求银河系里的质量，一定要达到一定的量，否则太阳就飞出银河系了。

太阳没有飞出银河系，表示银河系里一定有某种质量在拉着银河系里的恒星在转。那么这些多余的质量是什么？

天文学家们不知道，只知道是有这么个东西，因为看不见它，所以天文学家叫它暗物质。

我们知道，银河系是有邻居的，它并不是孤零零的一个星系。它大概处在一个叫本星系群的群体里面。

这个群体大概有30到50个星系左右，里面大部分的星系个体都比银河系矮小。但是有一个大的邻居。

它就是下图的仙女座大星云（M31），尺寸比银河系还要大，它距离银河系大概有两百五十万光年的样子。

星系与星系相撞

这是一个特别有意思的故事，关于仙女座大星云。有研究发现，银河系和仙女座大星云，在朝着对方以非常快的速度靠近。

这说明在某个未来，大约四十五亿年后的未来，银河系将要撞上仙女座大星云。

其实宇宙里面星系和星系之间碰撞是经常发生的事情。比如下图是离我们比较近的星系和星系碰撞的漂亮图片。

我结婚的时候甚至用了其中一个图片作为邀请卡背景，你看两个星系碰出了一个心的形状，这是很常见的。

但银河系毕竟是我们的家园，如果银河系要和M31碰撞的话，太阳会怎么样？太阳会撞上什么东西，会灰飞烟灭吗？

有一个好消息是，这种事情是不会发生的。

为什么呢？因为在宇宙中，星系和星系之间的距离，相比于它们自身的尺寸来说，不是那么大，所以星系和星系撞在一起的几率还是挺大的。

但是，星系里面的恒星其实很小，恒星和恒星之间的距离，相比于它们自身尺寸来说，其实要大很多很多。

所以，不管多少个星系撞在一起，一个太阳撞上另一个太阳的几率是非常小的。

这是不是说我们就OK了呢？好像也不是。

天文学家模拟了银河系和M31撞到一起的状况。黄色的点表示这两个星系中间的恒星，蓝色的点表示这两个星系中的气体。

你会发现，气体和恒星在这样的碰撞过程中，他们的命运是不一样的。

恒星的命运是什么呢？他们在这种碰撞中会丢失角动量，然后会更快地聚集到星系中心去。

也就是说，太阳在这样的碰撞中，很可能会急速地掉到星系更靠近中心的地方。

一般来说，星系中心的高能辐射会很强，如果太阳掉进去了，恐怕人类是不好承受的。假如人类在这场碰撞中活下来了，恐怕也没有几年好日子过，因为太阳也是有寿命的。

大概在50亿年以后，也就是这个碰撞发生大概几亿年以后，太阳里面的氢就烧光了。

烧光以后会进入它的第二个阶段，我们叫做红巨星的阶段，它开始烧里面的氦，它的体积会变得非常的巨大。

也就是说，在这个图片里，本来在左下角的这个小黄点，会在红巨星阶段变成一个非常非常大的大红球。

这个大红球，基本上是两倍于现在太阳到地球之间的距离，会完全把地球给吞噬掉，到那时候，地球也就没有了。

我们可以从银河系的很多图片来解读它们的故事，我们不仅看这些照片本身，我们还能够通过某种物理规律，看到它的过去、预测它的未来，这是我觉得天文学特别有意思、特别有魅力的地方。

天文学让我心潮澎湃的另外一个地方在于，我们能理解、阅读的宇宙比我们想象的要大很多。

上图是太阳系大家族，看上去成员很多，其乐融融。如果真的飞到上面去的话，你会发现太阳系真是太空旷了。不仅仅太阳系，整个宇宙都是这样子的。

下图显示的是土星。这张照片最特别的地方不在于土星本身，而在于它左上角的这个小点点。有没有人可以猜到这个小点是什么东西？

有人说木星，有人说慧星，实际上它是我们的地球，也就是我们的家园。看不清这个小点，正说明我们的宇宙是非常非常空旷的。

这是太阳系在不同尺度下不断放大的一个放大图。在最小的图里，地球轨道是中间那个绿色的小圆圈。

如果把它放到整个太阳系尺度上的话，它是看不见的。就是说，太阳到地球之间的距离，在整个太阳系的尺度上，是看不见的。

再打个比方，我们现在用最快的火箭把人送出去，以直线距离冲出太阳系，用我们中华民族上下五千年的时间，也只能飞到太阳系不到1/4的地方。

所以说，整个空间真的非常大。即使你飞出了太阳系，到距离我们最近的一颗恒星，也还要再飞三倍太阳系这么大的空间。

我们知道，银河系有几千亿颗恒星，飞到离我们最近的恒星都这么费劲，想要飞出银河系就更遥远了。

这么一想，你是不是觉得很灰心，觉得好像没什么意思？实际上不要太灰心，因为天文学家有一种神器叫什么？望远镜。

虽然实际的星际旅行不是很可能实现，但借助于天文望远镜，我们可以实现这样的星际旅行。我给大家看两段视频。

第一个视频，假设我们坐在这样的宇宙飞船上，飞船以大概每秒几十光年的速度，从太阳往外飞去。

我们可以看到银河系里很多漂亮的星云。这是有名的鹰状星云。你还可以看到很多恒星，还有气体。这些灰黑的地方，实际上是尘埃，你把它想象成pm2.5就好了，实际上比那个还要更稀薄。

我们可以飞到太阳上面去，可以看到银河系的中心，有一个我们叫核球的地方。再飞出银河，我们看到我们的邻居仙女座大星云，它旁边的一颗星系，我们叫M33。

阅读宇宙，阅读自己

下一个视频，是假设我们坐一个飞得更快的宇宙飞船，这个宇宙飞船以大概每秒几兆光年的速度往外飞行。

我们会看到一个什么样的图景？

值得指出的是，这个视频里所有的星系，它的位置、它的距离、它的倾角以及它的颜色，都是实际观测的，真实的。所以，假如我们真有这样一个宇宙飞船的话，我们看到的宇宙就是这个样子的。

当然，由于望远镜本身的限制和我们身处银河系的一些限制，会有一些和实际情况不同的地方。

比如，你可能会注意到，我们越往远处走，看到的星系越红。其实这是一种选择效应。

就是说，我们越往外走，那些红的星系因为很亮才能被望远镜看到，那些更暗的蓝色星系我们看不到，所以就没法在图片里展示。

即使这样酷的图片，也只包含了大概60万个星系，我们只看到整个宇宙1/10不到的空间。所以，天文学家一直想建造更强大的望远镜。

天文学里的望远镜有很多种类，几乎覆盖了整个电磁波的所有波长。

大家可能知道，中国的FAST望远镜，是在贵州建立的500米的世界上口径最大的望远镜，用来探测星系里面的中性氢气体还有脉冲信号。

我主要研究的，是电磁波段里光学和红外这一部分。

在云南丽江高美古观测台，有一个2.4米的望远镜，这是我们中国最大的普通用途的望远镜。我一直致力在那上面配备一个光谱仪。

也正是通过这个项目，我深刻地体会到天文学实际上是一个很丰富的科学，它不仅仅是关于科学，它还包括工程技术管理等等很多东西。

比如在实施这个项目的过程中，就要求我们在3000多米的高美古高原上爬上爬下，细致的时候我们需要关注这么小的一个小螺丝，或者一根非常纤细的光纤；粗犷的时候，我们需要搬运一个几吨重的镜面、架子，等等。

正是通过这样的项目，让我慢慢地意识到我真正的兴趣所在，我发现我不仅仅对科学感兴趣，也对这种有粗有细的工程技术感兴趣。

可能也正是因为天文学的丰富性，让我对天文这么着迷。

我很庆幸找到天文学作为我的职业。它每天都在带给我新的挑战，让我不断地开拓视野，沉淀自己的心灵。

所以对我来说，阅读宇宙也是在阅读自己，它是一次特别非凡的心灵之旅。

本文来自公众号：格致论道讲坛（ID：SELFtalks），作者：郝蕾，天体物理学家、中科院上海天文台研究员