我在宇宙中考古

银拱下的郭守敬望远镜

 

　　在茫茫星河中寻找极其稀有的宇宙化石，收集它们的光芒，分析它们的成分，然后反推这些古老星星诞生时的宇宙是什么模样——这就是我的研究工作，既像个考古学家，又像个侦探。

文/李海宁

编辑/胡艳芬

 

　　我从事的职业是天文学研究；我关注的对象是银河系里上千万颗形色各异的星星，更准确地说，我追寻的是宇宙中最古老的星星；我的终极目标是，找到点亮宇宙的第一缕光。

　　和许多从事天文研究的同行不一样，我小时候的理想是成为一名考古学家。后来机缘巧合，进入到同样酷炫的天文学领域。准备读博士研究生时，我发现竟然有“恒星考古”这个方向，兜兜转转，我以另一种方式实现了儿时的理想，成了一名“太空考古人”。而且我发现，在星空里考古的感觉居然相当不错，它带来的震撼也是难以想象的。

 

恒星考古，考的是啥？

　　太阳是太阳系的大家长，也是太阳系最重要的成员。因为太阳，地球才有昼夜变换、四季更替，才能获得地球生命所需要的各种形式的能源。然而，在浩渺无际的宇宙中，这个人类所仰慕和赖以生存的太阳只是一颗再平凡不过的恒星，如果按辈分来算，要排到恒星界的第N代了。而恒星考古最关心的是恒星界的老祖宗们——宇宙中的第一代恒星和第二代恒星。

　　根据现有的标准大爆炸理论，大约138亿年前，宇宙大爆炸产生了大量的氢、氦和极其微量的锂。在这样的环境下，第一代恒星诞生了，第一次点亮了整个宇宙。但可惜的是，第一代恒星个头庞大，比一百个太阳还要重，消耗能源的速度也异常惊人，所以都是“短命鬼”，只能活数百万年，我们目前还没有办法借助望远镜直接看到第一代恒星。最终，它们以绚烂而剧烈的超新星爆发结束了一生，将自己制造的各种新元素——碳、氮、氧、钙、铁、锌等等，抛射到四面八方的星际中，继续孕育它们的后代——第二代恒星。

　　幸运的是，第二代恒星的个头比太阳还要小，因此能够一直活到今天，使我们有可能接收到它们的星光。由于从宇宙大爆炸到它们出生，时间间隔非常短，所以它们的年龄几乎和宇宙一样大。更重要的是，这些古老恒星有个非常厉害的本领，能够在自己的表面大气中保留出生地的特征信息。因此，通过分析这些古老恒星的性质和成分，我们就能推演出它们诞生时，也就是宇宙婴幼儿时期是什么模样，发生了哪些事情。这些古老的小星星就如同远古宇宙留下的化石，而通过它们追溯古早宇宙的过程和在地球上考古如出一辙，因此被称为“恒星考古”。

 

星海捞针，没那么浪漫

　　在茫茫星河中寻找极其稀有的宇宙化石，收集它们的光芒，分析它们的成分，然后反推这些古老星星诞生时的宇宙是什么模样——这就是我的研究工作，既像个考古学家，又像个侦探。在许多人看来，这份工作既浪漫又酷炫。事实上呢？

　　和在地球上寻找恐龙化石一样，要找到真正的宇宙化石，绝非易事。恒星考古就如同大海捞针，以太阳附近的空间为例，每20万颗恒星中，仅能找到一颗让我们心动的宇宙化石。没有“足够的缘分”，真的很难遇到自己心仪的“宇宙化石种子选手”。刚读研究生时，因为数据库不够好，耗费半年时间初筛候选体，连续处理大量的数据，最后也没能找到有价值的信息。

　　不只是“海选”辛苦，接下来的“精挑”——对选出来的化石做高分辨率、高精度的光谱分析——更让人崩溃。动辄就是好几百颗星星，每一颗星都有好几百条谱线，每一条暗弱的谱线都要去细细测算。时不时还要推倒重来，反复分析。刚开始接触高分辨率光谱分析的那个学期，我甚至有一次在梦中因为遇到一条怎么都拟合不上的谱线被急醒。

　　因为我们所研究的宇宙化石恒星非常遥远而暗弱，为了细致观察它们的光谱，需要用到世界上最大的光学望远镜。所以我常去的观测地点之一是夏威夷。集齐了“星辰大海”，这下终于可以实现浪漫了吧？起初我也是带着这样的憧憬出发的，可当我到达观测中转站，眼前却是另一番景象。

　　每次观测，我都要一头扎在那座远离海滩和人群、海拔4000米的火山山头上。虽然关于浪漫的想象似乎破灭了，但我们其实格外珍惜每次观测机会，因为申请时间竞争异常激烈，我们必须与全世界同行通过自由竞争来申请使用权限，一般成功率也就百分之几。更重要的是，就算你披荆斩棘成功拿到了使用望远镜的机会，并不意味着你就一定能够顺利完成观测任务——因为对于观测天文学家来说，在光学波段观测，就和种庄稼一样，得靠天吃饭。

　　第一次去夏威夷观测，我申请到两个观测夜，抵达的第二天却突然变天，观测无法继续。我有些沮丧，同行的合作者是有着20年经验的日本天文学家青木教授，他非常淡定地开导我：“没关系，观测经常会遇到这种情况。”

　　第二年，我们再次相约夏威夷。第一天晚上观测到一半，突然云涌了上来，阴雨天持续到第二天。如果说上一次观测成功率是50%，那么这次只有25%。青木教授依然淡定，安慰我说：“别难过，我遇到过比这更糟糕的情况。”

　　第三年，又一次来到夏威夷，观测当天上午艳阳高照，但下午3点多，老天爷突然开了个大玩笑，我们迎来了当地20多年难遇的春季暴雪！很快，大雪封山。这一次，我们甚至连观测室都没能进去，青木教授叹口气说：“这是我目前遇到过最糟糕的情况了。”而我，也因此获得了一个观测天文学者避之唯恐不及的诨名——“夏威夷雪神”。

　　每当这时，我都不由得感叹：再浪漫的工作，具体到现实中的每分每秒，都是平凡而琐碎的。

 

有时，你还需要一点运气

　　当然，夏威夷不只有雨雪交加，更有科学发现的惊喜。第二次观测的时候，由于天气迟迟不见好，大家只能坐在一起聊天，从宇宙起源一直聊到国际局势。凌晨3点，大家都有点撑不住了。为了挽救尬聊的场面，我号召大家：“来看看昨天的观测数据吧！”——“这颗不错”“这颗也挺老的”“嗯？”突然我发现有条光谱似乎有问题，这个地方不应该有这么强的吸收特征啊，当时的第一反应：不会是我们数据处理出问题了吧？经过现场3人轮番排查，终于排除了技术错误的可能性，证明我们看到的是一条真实存在的、超强的锂元素吸收线！

　　探测到锂为何如此激动？其实，不仅对于人类来说锂是重要的微量元素，对于恒星来说，也是如此。而我们所关注的古老宇宙化石恒星尤其缺乏锂，在正常光谱中的锂线位置通常没有什么波动，但现在却强到出乎意料！

　　于是，我第一时间给从事理论研究的合作者写了封邮件求解。等待回复的那几天，内心非常纠结：一方面希望能得到合理的解释，另一方面又暗暗希望他们解释不了。在随后的一段时间里，我们进行了各种测试，都没能完整地解释我们看到的奇异现象。美国《科学新闻》杂志第一时间对我们的发现进行了报道，让我开心了好几天。更让我兴奋的是，平时总是理论学家指导我们实测，这一次，我终于可以给理论学家制造一点“麻烦”了。

　　从那之后，我们开始重点关注锂线特征，并且陆续挖到了好几颗这类奇特的“宇宙化石”。现在，我们正联手理论学家尝试解释，它们究竟是从远古宇宙的什么地方获取了那么多锂。这是一个现有理论无法解答的问题，如果有一天找到了答案，将有可能改写人类对于宇宙中元素起源的认知。

　　在星空中“埋头考古”了10年，我们成功找到了将近400颗“宇宙化石”，它们诞生于130多亿年前，也组成了目前世界上最大的化石恒星数据库。这些“宇宙化石”恒星就像一把通往未知的钥匙，可以帮助我们追溯生命物质的宇宙起源，是我们解答这一宇宙终极问题的关键。而越多地了解这些宇宙起源的关键问题，我们越有能力更好地预测人类的未来。

　　今天，恒星考古迎来了全新时代，除了郭守敬望远镜、盖亚探测器等大规模巡天设备开展全天扫描式的观测之外，我们还有詹姆斯·韦布空间望远镜等先进设备的助力，能够在更广阔的宇宙空间开展太空考古，也能看到更遥远、更古早的神秘宇宙，甚至在未来的某一天，我们将真的有能力亲眼看到婴幼儿时期的宇宙，接收到来自宇宙第一代恒星的光芒。

 

恒星考古还能抚慰心灵

　　于我而言，恒星考古不仅是一项流程繁琐有挑战的技能，是我们窥探宇宙鸿蒙之初的一扇窗口，更是我们对周遭世界产生全新感知的路径：我们身上的每一个原子，氢、氧、碳、钙、氮、磷，和古老的“宇宙化石”几乎一模一样，都穿越了130多亿年的时空，从大爆炸而来，从宇宙的起源而来。我们每个人都来自星尘，这不是“鸡汤”文学，而是科学事实。

　　某次，一位朋友因为工作上受挫而自我怀疑极度忧郁，我便用这套理论开导她：“你身体里大约有70%是水，对应8.6%的氢，它们全都是宇宙大爆炸产生的！所以，这个120斤的你就携带着差不多9斤来自大爆炸的氢！完全是具有宇宙意义的重要存在啊！”朋友听了，更难受了：“你才120斤呢！”

　　玩笑归玩笑，对我来说，感受到这一点真的很酷。虽然无论是从质量、空间还是从时间演化的尺度上来说，人类相比宇宙都非常渺小，但是，从生命元素的起源上来说，我们每个人身体里都留下了宇宙大爆炸的证据，我们每个人对于宇宙都具有特殊的意义。我和你，每一个人都是。

　　遥想年少的自己，一心要考古这个奇妙的世界，没想到一路“考”到了130多亿年前的时空，窥见了远古宇宙的奥秘。在今天，女博士不再是罕见的第三类人，能够仰望星空的女性越来越多，有机会实现梦想的女性也越来越多。有人在追逐自己心中最亮的星，也有人成为了他人心中最亮的星。所以，有梦就去追吧。而我，为了追寻宇宙第一缕光，会愈发坚定地在浩渺星空中一路考古下去。

　　（作者系中国科学院国家天文台研究员）

 

来源：2023年9月6日出版的《环球》杂志 第18期