□ 北京大學(xué) 吳學(xué)兵

發(fā)現(xiàn)宇宙最亮“星”

□ 北京大學(xué) 吳學(xué)兵

2014年，一部來自北大的微電影“星空日記”曾風(fēng)靡校園，吸引了眾多少男少女的眼球，影片講述的是一個家境困難的北大學(xué)生追求“摘星星”夢想的故事。2014年對我來說注定會是終生難忘的。就像“星空日記” 微電影中那位窮學(xué)生最終實(shí)現(xiàn)了“摘星星”的夢想一樣，我?guī)ьI(lǐng)的團(tuán)隊(duì)也發(fā)現(xiàn)了遙遠(yuǎn)宇宙中黑洞質(zhì)量最大的最亮類星體。在論文終于被世界著名的科學(xué)期刊《自然》接受發(fā)表的那一刻，我決定也寫一篇“星空日記”，記錄下我們研究過程中這段不平凡的經(jīng)歷。

結(jié)緣類星體

類星體是天文學(xué)家于1963年發(fā)現(xiàn)的，是20世紀(jì)60年代天文學(xué)的四大發(fā)現(xiàn)之一。它們看起來形態(tài)很像恒星，但實(shí)際上卻是銀河系外其他遙遠(yuǎn)星系里明亮的活動星系核，其中心存在質(zhì)量為百萬倍以上太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。這些黑洞雖然自身不發(fā)光，但由于其強(qiáng)大的引力不斷吸積周圍的氣體物質(zhì)，使它們在快速落向黑洞的過程中以類似“摩擦生熱”的方式釋放出巨大的能量。發(fā)現(xiàn)類星體的主要方法是拍攝它們的光譜，辨認(rèn)出光譜中強(qiáng)而寬的發(fā)射線。比較發(fā)射線在觀測光譜中的波長與其在靜止坐標(biāo)系中的波長可以讓我們計(jì)算出它的紅移。由于紅移是宇宙膨脹導(dǎo)致的，紅移越大，則表示類星體的距離越遠(yuǎn)，它遠(yuǎn)離我們的退行速度也越大。由于類星體非常明亮，它就像漆黑宇宙里的探照燈一樣，可以幫助我們研究遙遠(yuǎn)宇宙的結(jié)構(gòu)與演化。

中國天文學(xué)家涉足類星體研究是在20世紀(jì)70年代末和80年代初，一批中國學(xué)者在改革開放后被陸續(xù)派往國外天文單位進(jìn)行研究訪問。其中何香濤教授在英國工作期間發(fā)現(xiàn)了很多類星體，陳建生院士和黃克諒教授等利用國外望遠(yuǎn)鏡在類星體吸收線的觀測研究中取得了重要的成果。但在國內(nèi)由于缺少天文望遠(yuǎn)鏡，對類星體的觀測研究起步很晚。直到20世紀(jì)90年代初，我國2.16米光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在北京天文臺興隆觀測站建成并進(jìn)入正常運(yùn)行后，利用它發(fā)現(xiàn)類星體就成為一項(xiàng)重要的科研任務(wù)。

圖1 國家天文臺興隆觀測站，2.16米望遠(yuǎn)鏡圓頂。

我于1993年進(jìn)入中國科學(xué)院北京天文臺（現(xiàn)國家天文臺）攻讀博士學(xué)位，導(dǎo)師李啟斌臺長為我制定了黑洞吸積理論和類星體觀測的研究方向。由于我以前從未使用專業(yè)望遠(yuǎn)鏡做過天文觀測，李臺長安排趙永恒研究員帶我去興隆觀測站學(xué)習(xí)觀測。1994年3月，趙永恒、鐘建霞等在利用2.16米望遠(yuǎn)鏡對一顆X射線源進(jìn)行光譜觀測后，發(fā)現(xiàn)它是一顆紅移為0.32的類星體，這是中國天文學(xué)家利用國內(nèi)天文設(shè)備發(fā)現(xiàn)的第一顆類星體，我在興隆觀測站親眼看到了這一過程。隨后，我在胡景耀、趙永恒等研究員的幫助下，逐漸掌握了光譜觀測的相關(guān)知識。1995年5月，在興隆觀測站，我與魏建彥研究員等利用2.16米望遠(yuǎn)鏡對一些X射線源和射電源進(jìn)行光譜觀測后發(fā)現(xiàn)了8顆紅移從0.33到1.09的類星體。1997年冬季和1998年春季，我又與德國學(xué)者合作利用2.16米望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了19個紅移從0.35到2.35的類星體。從此以后，類星體就成了我所從事的天文研究的主要對象。

麗江之行

進(jìn)入新世紀(jì)，隨著美國斯隆數(shù)字巡天(SDSS)的開展，大批類星體在SDSS光譜巡天中被發(fā)現(xiàn)。我也和很多中國學(xué)者一樣，利用向全球開放的SDSS數(shù)據(jù)進(jìn)行了一些關(guān)于類星體的研究。2008年我國用于光譜巡天的郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)建成，我積極投身于LAMOST類星體候選體的準(zhǔn)備和光譜數(shù)據(jù)的分析中，并利用LAMOST測試階段的光譜觀測發(fā)現(xiàn)了一批類星體，紅移最高達(dá)到2.77，成為LAMOST早期科學(xué)成果中的一個亮點(diǎn)。2011年底，云南天文臺的麗江2.4米望遠(yuǎn)鏡在完成測試工作后向全國天文界征集觀測需求，我提交的“發(fā)現(xiàn)紅移4以上類星體”的申請得到批準(zhǔn)，觀測時間是2012年2月底至3月初的6個夜晚。

麗江2.4米望遠(yuǎn)鏡位于離麗江市區(qū)100公里以外的高美古，對它我并不陌生。我最早在1995年就跟隨導(dǎo)師李啟斌臺長到過那時還處于天文臺址監(jiān)測初期的高美古，也曾在2005和2011年兩次在麗江開會時到高美古參觀過建設(shè)中的2.4米望遠(yuǎn)鏡。但這次去是做觀測，目的和以前完全不一樣。在去麗江之前我認(rèn)真地做了各種準(zhǔn)備，利用美國SDSS光學(xué)巡天和英國UKIDSS近紅外巡天數(shù)據(jù)選好了類星體候選體，并安排兩名學(xué)生一起去觀測。2012年2月26日我和研究生左文文先到成都，與已保研北大的四川大學(xué)本科生楊倩匯合后27日中午飛抵麗江。由于當(dāng)晚就要觀測，我們從機(jī)場直接坐出租車在我手機(jī)GPS的引導(dǎo)下到達(dá)離麗江城區(qū)100公里外的高美古觀測站。稍作休息，晚飯后我們就直奔2.4米望遠(yuǎn)鏡觀測室，遇見觀測助手、云南天文臺的助理研究員易衛(wèi)敏。當(dāng)天天氣不好，只觀測了幾個亮源，很遺憾沒有發(fā)現(xiàn)新的類星體。高美古觀測站海拔3200米，由于我們當(dāng)天從成都直接來到高美古，未在麗江作適應(yīng)性的休整，晚上我有非常明顯的高原反應(yīng)，頭痛不已。幸好觀測站備有藥物，吃藥后有所緩解。雖然觀測不太成功，但我們對2.4米望遠(yuǎn)鏡的性能有了更好的了解，這為我們后幾天的觀測打下了基礎(chǔ)。

圖2 位于美國阿帕奇點(diǎn)天文臺的口徑2.5米的斯隆數(shù)字巡天望遠(yuǎn)鏡（SDSS）

圖3 國家天文臺興隆觀測站，雪后的郭守敬（LAMOST）望遠(yuǎn)鏡。

2012年2月27號和28號，我們成功地通過觀測發(fā)現(xiàn)了幾個類星體，其中一個紅移為4.6。我們嘗試用email聯(lián)系正在美國用6.5米多鏡面望遠(yuǎn)鏡(MMT)觀測的同事，請他們也觀測。幾天以后，我們在高時，好消息也傳來了。我們用2.4米望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)紅移是正確的。對此，這是國內(nèi)望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的第一顆紅移4以上的類星體。這次麗江之行，我們共發(fā)現(xiàn)了6顆紅移在2.4以上的類星體，除紅移為4.6的類星體外，另有兩顆類星體的紅移非常接近4。這次成功的觀測給了我們極大的鼓舞，我們圓滿地完成了發(fā)現(xiàn)紅移4以上類星體的預(yù)定觀測目標(biāo)。它也證明只要找到合適的選源方法選出候選體，我們也可以利用國內(nèi)的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)高紅移類星體。

圖4 云南天文臺麗江觀測站，2.4米望遠(yuǎn)鏡。

圖5 在麗江2.4米望遠(yuǎn)鏡觀測室，左起：吳學(xué)兵，易衛(wèi)敏，左文文，楊倩。

在隨后一年多的時間里，我們繼續(xù)利用國內(nèi)麗江的2.4米望遠(yuǎn)鏡和興隆的2.16米望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了更多的高紅移類星體，最高紅移從4.6,4.7增加到5.1。世界上已發(fā)現(xiàn)的20多萬個類星體中，紅移超過5的只有170個。在2013年成功地用國內(nèi)2米級望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)第一個紅移5以上的類星體后，我們就確定了下一個目標(biāo)，即發(fā)現(xiàn)更多的紅移5以上的類星體。

驚人發(fā)現(xiàn)

圖6 吳學(xué)兵在美國6.5米多鏡面望遠(yuǎn)鏡 （MMT）主鏡前。

圖7 美國兩個8.4米的大雙筒望遠(yuǎn)鏡(LBT) (來自https:// www.as.arizona.edu/large-binocular-telescope)

2013年, 我的研究生王飛格和楊錦怡先后加入到高紅移類星體項(xiàng)目中。由于意識到英國UKIDSS近紅外巡天的覆蓋天區(qū)太小，我們開始通過利用2012年釋放的美國WISE紅外衛(wèi)星的全天測光數(shù)據(jù)和SDSS光學(xué)巡天數(shù)據(jù)，來選擇LAMOST巡天中的類星體候選體和利用麗江2.4米望遠(yuǎn)鏡觀測的高紅移類星體候選體。在2013年的觀測中我們就利用麗江2.4米望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了幾個紅移5以上的類星體。

12月份，我和王飛格發(fā)現(xiàn)我們得到的高紅移類星體候選體中有幾個測光紅移甚至大于6。其中一個源SDSS J0100＋2802，i波段星等接近21等，z波段星等為18.4等，光學(xué)的其他波段沒有探測到，但在紅外波段較亮，這些特征與紅移6以上的類星體非常符合。由于i波段星等較暗，為增加信噪比我們請?jiān)颇咸煳呐_易衛(wèi)敏使用2.4米望遠(yuǎn)鏡的最低分辨率光柵拍一下這個源的光譜。但由于知道紅移6以上的類星體非常稀少且一般都比這個源暗很多，我們對此次觀測的結(jié)果基本沒抱太大希望。

12月31日，小易發(fā)來email，主題為“z>6的高紅移類星體——辭舊迎新篇”，其附件的光譜中明顯顯示出9000埃左右的極強(qiáng)發(fā)射線。經(jīng)過與類星體模版光譜的比較，我確認(rèn)這應(yīng)該是一個紅移6.2以上的類星體，這讓我們非常激動！2013年的最后一天和2014年的元旦我們都在激動中度過，彼此間反復(fù)用email討論光譜的細(xì)節(jié)。由于2.4米望遠(yuǎn)鏡的最低分辨率光譜還不足以最準(zhǔn)確地確定紅移，元旦剛過我們一方面請求2.4米望遠(yuǎn)鏡繼續(xù)用稍高分辨率的光柵再拍一下這一類星體的光譜，另一方面向我的合作者、美國Arizona大學(xué)著名類星體專家樊曉暉教授求助，希望他們用位于美國亞利桑那（Arizona）的MMT望遠(yuǎn)鏡也做一下觀測。1月2日午夜，小易發(fā)來2.4米望遠(yuǎn)鏡的第2個光譜，分辨率比第1個好很多。在給小易和其導(dǎo)師白金明研究員的郵件中，我寫道：“這是一個紅移6.3的類星體已經(jīng)確鑿無疑了！它是國內(nèi)發(fā)現(xiàn)的紅移最大的類星體，其紅移在國際上發(fā)現(xiàn)的類星體中能排進(jìn)前十?！?幾天過后，美國MMT望遠(yuǎn)鏡和8.4米大雙筒望遠(yuǎn)鏡（LBT）所拍的更高質(zhì)量的光譜陸續(xù)傳來，再次確認(rèn)我們用2.4米望遠(yuǎn)鏡得到的結(jié)果沒有任何問題。

應(yīng)我們的要求，LBT甚至還拍了近紅外波段的光譜，盡管由于曝光時間太短導(dǎo)致光譜信噪比不高，但還是讓我們可以利用近紅外K波段的譜線初步估計(jì)這顆類星體的中心黑洞質(zhì)量在100億太陽質(zhì)量以上！而且，根據(jù)紅移和星等我們計(jì)算出這顆類星體的光度也比其他所有紅移6以上的類星體要高4倍以上。我們發(fā)現(xiàn)的這個類星體是遙遠(yuǎn)宇宙里發(fā)光最明亮、中心黑洞質(zhì)量最大的類星體！

一波三折

在發(fā)現(xiàn)這一極亮的紅移為6.3的類星體后，一方面我們開始積極申請更多的望遠(yuǎn)鏡時間作后續(xù)的觀測，另一方面我們決定寫一篇論文公開這一重要發(fā)現(xiàn)。2014年2月我寫好初稿，請王飛格補(bǔ)充了對Gunn-Peterson吸收和類星體近鄰電離區(qū)大小的討論部分，又請左文文增加了對黑洞質(zhì)量的估算。稿子基本成形，但由于LBT的紅外光譜質(zhì)量不好，這對這顆類星體中心黑洞質(zhì)量的估算有較大的影響，所以我們對文章是否可以投Nature心里還沒有底。詢問樊曉暉，他答應(yīng)給Nature的天文編輯萊斯利?薩格（Leslie Sage）發(fā)一個email先問問。4月19日，樊曉暉轉(zhuǎn)來萊斯利?薩格（Leslie Sage）非?？隙ǖ幕貜?fù)，認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)非常有意義(pretty interesting)，這讓我們備受鼓舞。在對文章作了必要的修改后，6月20日我把它作為快報(bào)(Letter)投給Nature雜志。

7月10日，收到Nature轉(zhuǎn)來的審稿意見。雖然兩位審稿人都認(rèn)為我們的發(fā)現(xiàn)非常重要，值得在Nature發(fā)表，但也都提出來最好能補(bǔ)充更高質(zhì)量的近紅外波段光譜以得到更準(zhǔn)確的黑洞質(zhì)量。這一中肯的評審意見其實(shí)也在我們的意料之中。如何能獲得高質(zhì)量的近紅外波段光譜，成為我們的首要任務(wù)。

圖8 2014年6月研究團(tuán)隊(duì)部分成員在北大，右起：易衛(wèi)敏，王飛格，吳學(xué)兵，左文文，楊倩，楊錦怡。

由于國內(nèi)沒有紅外望遠(yuǎn)鏡，我們只能尋求樊曉暉的幫助。幸運(yùn)的是他爭取到了8月6日美國雙子座(Gemini)望遠(yuǎn)鏡1小時的觀測時間，所得到的近紅外光譜雖然比以前的LBT光譜好一些，但信噪比仍很不讓人滿意。9月份，LBT天文臺的戴維?湯普遜（David Thompson）告知他幫我們對這個類星體拍了2小時的近紅外光譜，信噪比還可以，得知這一消息我們很高興。但不久當(dāng)澳大利亞國立大學(xué)的邊福彥博士幫我們處理完LBT光譜數(shù)據(jù)后，得到的結(jié)果讓我們大失所望。由于背景噪音太大，信噪比與以前1月份觀測的LBT近紅外光譜相比其實(shí)沒有任何改進(jìn)。我們最后的希望落在了10月初的麥哲倫(Magellan) 望遠(yuǎn)鏡觀測上。

由于我們成功地申請到了我國的TAP(Telescope Access Program)計(jì)劃，這讓我們擁有位于智利的麥哲倫望遠(yuǎn)鏡一晚上的觀測時間，加上樊曉暉從美國亞利桑那（Arizona）大學(xué)申請到的另一晚上的時間，我們擁有在10月初利用麥哲倫望遠(yuǎn)鏡兩個晚上觀測這一類星體的機(jī)會。樊曉暉親自帶著王飛格、楊錦怡兩位北大的研究生奔赴萬里之遙的麥哲倫望遠(yuǎn)鏡所在地——智利拉斯坎帕斯（Las Companas）天文臺。我滿懷希望，樂觀地在北京等著他們的好消息。10月6日清晨，樊曉暉發(fā)來一封email，看到第一句話我就感覺整個身體像掉進(jìn)了冰窖里！“我從來沒有這么糟糕的麥哲倫觀測經(jīng)歷(my worst Magellan run ever)”。天公不作美，我們兩晚的觀測時間都遇上了大風(fēng)、下雨和多云，根本沒有機(jī)會觀測我們的類星體。失望過后，我們只好決定再花氣力重新處理8月份雙子座望遠(yuǎn)鏡的近紅外光譜。

圖9 位于智利的6.5米的麥哲倫(Magellan)望遠(yuǎn)鏡（http://obs.carnegiescience.edu/Magellan）

圖10 位于夏威夷的美國雙子座(Gemini)北天望遠(yuǎn)鏡(來自網(wǎng)頁http://www.roe.ac.uk/ roe/support/pr/pressreleases/050826-earthsdestiny/gemininorth.jpg)

10月9日，在美國訪問的王飛格發(fā)來email，告知麥哲倫望遠(yuǎn)鏡的工作人員尤里?別列茨基（Yuri Beletsky）等在得知我們兩晚無法觀測的‘悲慘’經(jīng)歷后，已在10月7日利用他們的工程時間(engineering time)為我們的類星體補(bǔ)拍了一小時的近紅外光譜。絕處逢生！王飛格、楊錦怡和我在北大的同事王然立即投入到麥哲倫望遠(yuǎn)鏡近紅外光譜的數(shù)據(jù)處理中。經(jīng)過無數(shù)次的討論和實(shí)踐，終于在11月初得到了利用麥哲倫望遠(yuǎn)鏡光譜和雙子座望遠(yuǎn)鏡光譜合并而成的漂亮的近紅外光譜。最后，左文文利用新的近紅外光譜更準(zhǔn)確地估計(jì)出這顆類星體中心黑洞質(zhì)量為120億太陽質(zhì)量。而且，從漂亮的近紅外光譜里我們可以清楚地識別出由于從類星體到我們之間存在的宇宙物質(zhì)所產(chǎn)生的眾多吸收線。11月20日，我把全面修改后的文章和對審稿意見的回復(fù)一并發(fā)給Nature。12月3日，第二次審稿意見回來了，兩位審稿人對我們的新光譜和修改稿都很滿意，但還有些小問題需要修改，我們很快又作了相應(yīng)修改。

新年禮物

本來期待著在圣誕節(jié)前Nature會發(fā)來正式接受我們論文的通知，但西方人圣誕節(jié)放假顯然比我們想象的早，而且比我們想象的長。2015年1月15日，終于收到Nature的email接收函，上面第一行寫的時間竟然是2014年12月29日。雖然姍姍來遲，但對我和我的12個論文合作者來說，這都是最好的新年禮物。同時，這也是給所有熱愛和支持天文事業(yè)的人們的新年禮物。2015年2月16日(正月初八)，論文正式在Nature登出了。沒想到的是，國內(nèi)外許多新聞媒體對我們發(fā)現(xiàn)宇宙早期有最大黑洞的最亮類星體很感興趣。包括有線新聞網(wǎng)(CNN)、路透社、華盛頓郵報(bào)、時代周刊、美國全國廣播公司(NBC)、國家地理、發(fā)現(xiàn)(Discovery)頻道、科學(xué)美國人、中央電視臺、新華社、人民日報(bào)、光明日報(bào)、中國日報(bào)、聯(lián)合早報(bào)、中國科學(xué)報(bào)、北京日報(bào)、參考消息等在內(nèi)的主要新聞媒體都把我們的發(fā)現(xiàn)作為重要新聞迅速給予了報(bào)道。

我們一起經(jīng)歷了不平凡的2014年，這其中有太多不為人知的甘甜痛苦！我特別要感謝我的團(tuán)隊(duì)，沒有他們，我?guī)缀鯐绮诫y行！感謝我的研究生王飛格、楊錦怡、左文文、楊倩和北大的同事王然研究員。沒有他們持續(xù)的努力，我們不可能從千萬顆星星中選出可靠的高紅移類星體候選體。他們在數(shù)據(jù)處理上所付出的巨大努力遠(yuǎn)不是論文里寫的一小段那么簡單。感謝易衛(wèi)敏、江林華、邊福彥、伊恩?麥格理爾（Ian McGreer）、戴維?湯普遜（David Thompson）和尤里?別列茨基（Yuri Beletsky），沒有他們在不同望遠(yuǎn)鏡上所做的觀測，就不可能有我們的發(fā)現(xiàn)。最后，必須要特別感謝一下我的合作者、美國亞利桑那（Arizona）大學(xué)的樊曉暉教授，沒有他的支持，我們不可能迅速得到這么多國外望遠(yuǎn)鏡的觀測時間。沒有他的鼓勵，我甚至都缺乏信心把我們的論文投給Nature雜志。

圖11 我們所發(fā)現(xiàn)的紅移6.3類星體SDSS J0100+2802是所有高紅移類星體中光度和黑洞質(zhì)量最大的。(圖片制作：李兆聿（上海天文臺）。背景照片是麗江2.4米望遠(yuǎn)鏡圓頂及其天空，由云南天文臺提供)

雖然這是為數(shù)不多的利用國內(nèi)望遠(yuǎn)鏡所作出的重大天文發(fā)現(xiàn)，并發(fā)表在Nature雜志上，但這并不意味著我們在高紅移類星體方面的研究能力就有了實(shí)質(zhì)性的飛躍。我們發(fā)現(xiàn)了遙遠(yuǎn)宇宙中黑洞最大的最明亮類星體，這是對我們以往工作的肯定，但后面還有更多的挑戰(zhàn)在等待著我們。我們要真正趕上世界先進(jìn)水平，還有很長的路要走。不過令人欣慰的是，隨著越來越多在海外學(xué)有所成的青年才俊陸續(xù)回國加入我們的隊(duì)伍，以及國內(nèi)熱愛天文的后備人才隊(duì)伍不斷成長壯大，中國天文將迎來迅速發(fā)展的高峰。國內(nèi)一系列大型天文設(shè)備的建成和中國已加入許多世界天文大設(shè)備的建設(shè)讓我們完全有理由相信，中國躋身于世界天文強(qiáng)國的那一天離我們已不再遙遠(yuǎn)。不久的將來，由新一代中國天文學(xué)家們書寫的星空日記將更為精彩！

（責(zé)任編輯 張長喜）