[访谈]王力帆:从超新星1987A到双中子星引力波

作者:蝌蚪君来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-12-06

一个天文学家的成才之路……

  2017年,双中子星引力波事件在中国掀起了舆论的热潮,中国在南极昆仑站的天文台也拍摄到了该事件的光学图片,相关文章发表在中国国内的《科学通报》上,引起了巨大的社会反响。中国科学院紫金山天文台研究员、南极天文中心主任、美国Texas A&M大学教授王力帆也进入了科学媒体的视野,蝌蚪五线谱网站在事件沉静后的一个多月后对他进行独家访谈。

  求学之路

  王力帆出生在陕西宝鸡,1981年进入中国科学技术大学读大学,他在本科阶段读的是无线电电子学微波专业,这是一个偏应用的学科,因此王力帆在大学时代学习了许多与微波技术相关的理论和工程知识。除了大量的电磁学课程,譬如电磁学,电动力学,微波技术,天线理论等等,他也学习了很多物理学的其它课程。

  可是,在学习这些微波知识的同时,王力帆发现自己似乎对天文学与宇宙学这样的学科更感兴趣。

  1985年,霍金受中国科技大学邀请第一次访问中国。当时霍金在科大的水上报告厅做了一个科普报告,这个科普报告和宇宙学及时间的本质有关。当时王力帆也去听了这个科普讲座,他被霍金所描述的宇宙时空的概念所震撼,他朦胧地感觉到这些概念似乎比大学期间学的狭义相对论时空观更加神奇。

  于是,大学毕业以后,王力帆改变专业方向,他进入了中国科技大学天文学系攻读博士学位。

  超新星1987A

  1987年2月23日,一位加拿大天文学家在大麦哲伦星云(距离地球大概16万光年,这是离地球最近的星系)中发现了一颗5等星,它很快就被证实是一颗超新星。这是自明朝万历三十二年(1604年)以来第一颗用肉眼就能看到的超新星。当时的著名天文学家开普勒对万历年间的这颗超新星进行了观测,因此这个超新星也被称为开普勒新星。

  而1987年的这颗超新星被命名为超新星1987A。1989年,王力帆通过教育部与欧洲南天天文台的合作培养协议,从中国科大后去欧洲南天天文台攻读博士学位,这也给了他一个千载难逢的好机会:观测超新星1987A。当时国际天文学界对刚爆发的超新星1987A很有兴趣,其中日本的小柴昌俊实验组还意外地发现了这个16万光年之外的礼物——超新星中微子。

  在欧洲南天天文台,王力帆是最早使用1989年投入使用的3.5米新技术望远镜天文学家之一。王力帆也有一个意外的大发现,他发现超新星1987A的外围有一个明亮的环,环外面还包裹着一层弥散的星云,其形状神似一个拿破仑帽子。

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王力帆发现到的超新星1987A的环 及拿破仑帽状星云

  (上图中除插入的哈勃望远镜图像外,其它数据都来源于欧洲南天天文台的新技术望远镜)

  王力帆的这个发现震惊了国际天文界,而相关论文也得以在著名的物理学期刊《自然》上刊出,这是王力帆的第一篇重量级的论文。这个环在1990年哈勃望远镜升空后,得到了进一步观测。

  哈勃学者

  1993年,在得到博士学位以后,王力帆回国在北京天文台呆了一年左右,期间观测了超新星1993J,结果也发表在《自然》期刊上。这是他的第二篇重要的论文,也是中国天文学家首次在《自然》杂志上发表中国天文望远镜的发现结果。

  1994年王力帆出国去了美国的德州大学奥斯丁分校,他得到了重要的博士后奖金项目,成为哈勃学者。该项学术奖金是国际上久负盛名的天文和天体物理学的博士后奖金项目,面向全世界的年轻天文学家,筛选过程的竞争激烈。在奥斯丁分校期间他开创了超新星偏振的观测。

  王力帆是最早系统开展超新星偏振观测的天文学家。刚开始观测的时候,实验条件非常艰苦,当时还没有10米级大口径望远镜,只有一个建于1938年的很老的2.1米望远镜。由于望远镜口径小,一组偏振观测需要叠加两三个晚上的数据才能发现一些暗弱的偏振信号。那时北师大的李宗伟老师也去奥斯丁分校访问,他和王力帆一起做了很多观测,也因此他和李老师成了好朋友。虽然有很多困难,最后这个项目也坚持了下来,为这一研究领域奠定了基础。超新星偏振观测在10米级望远镜建成后迅速发展,为超新星爆炸的物理机制提供了非常重要的观测数据。

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王力帆做学术报告 

  超新星的偏振可以告诉我们超新星爆炸时的形状,如果是球形的,偏振就很小,如果非常不对称,偏振就会比较大。偏振要测量光子的自旋状态,一般的天文观测只关心光子的数目。超新星爆发时的光子偏振都非常小,很不容易测量。不同的爆炸机制预言不同的爆炸后的几何结构。观测偏振可以直接限制超新星的爆炸机制。

  超新星与宇宙加速膨胀

  2000年,王力帆到了罗伦兹伯克利实验室,参与了超新星宇宙学项目,负责超新星光谱数据分析。1998年在宇宙学领域发生了一件大事,而王力帆也是这个大事件的见证者——当时Saul Perlmutter等人根据对一种具有标准烛光亮度性质的远方超新星的观测,推断出我们的宇宙正在加速膨胀。

  而王力帆所加入的实验室,他们的团队的负责人正是Saul Perlmutter。

  王力帆告诉蝌蚪五线谱:“这些用于宇宙学的超新星都非常远,非常暗。需要10米级的望远镜才能测量到它们的光谱。那时候经常去夏威夷观测。我们要从很暗弱的信号里找出超新星的蛛丝马迹,确定它们是不是我们想找的那种超新星。”

  超新星宇宙学仍然是天文学的热点领域。但是,中国目前还没有能观测高红移超新星的望远镜。如果计划中的12米大口径望远镜可以上马或者中国能够实质性的加入30米望远镜合作项目,这一现状将会被改变。

  中子星引力波的光学观测

  2017年 10月16日22点,美国国家科学基金会宣布:激光干涉引力波天文台(LIGO)和处女座引力波天文台(Virgo)于2017年8月17日首次发现双中子星并合引力波事件。此次引力波现象发生在南天的长蛇座,北天的望远镜很难看到,所以中国的大多数望远镜没能进行观测,比如刚刚建成的FAST以及很多光学望远镜(云南丽江的2.4米望远镜和国家天文台兴隆观测站的2.16米光学望远镜等)。

  不过幸运的是,中国位于南极Dome A的50厘米的南极光学巡天望远镜(AST3)也参与了观测,这个项目的负责人正是王力帆研究员。

  在引力波源信息发布的约一天后,AST3望远镜开展了对于这个目标源的观测。当时南极的冬天刚刚过去,目标天体的地平高度较低,每天差不多只有2个小时左右的观测时间。南极天文中心的望远镜最终进行了10天的观测,得到了目标天体的光变曲线,这一结果发表后激发了中国民众的民族自豪感。

  王力帆告诉蝌蚪五线谱,中国极地研究中心的科考队伍于2005年到达南极冰穹A。冰穹A有可能是一个十分优良的天文台址。于是他与崔向群院士一起开始探讨南极天文观测的可能性。随后,南极天文台项目获益于整个天文界的大力支持。科学院基础局及天文台的国家天文财政专项都给予了关键性的支持。南大,清华,北师大不光有优秀的团队参加,而且也给予了强大的经费支持。除了观测到了中子星引力波事件的光学图像,在南极的这个望远镜还批量发现了一些系外行星候选体,这在中国还是首次。而且同国际上相比较,南极巡天望远镜发现系外行星的效率也是地面望远镜里最高的。

  从超新星1987A到双中子星引力波的光学观测已经30周年了,王力帆回首往事,心潮澎湃。最后,王力帆说,天文学是一个发现性的科学,多次引领人类文明的进步,他希望更多的人来关心天文学,更多的青年学生能参与到天文学研究中来。他也希望我国很快能有功能强大的望远镜可用。

  本篇采写  蝌蚪五线谱   张轩中

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