這位 “黑洞觀察家”，在漫天星河中凝視幽暗

有太多的依據(jù)可以證明我們與古人仰望著同一片星空，無論是“今宵絕勝無人共，臥看星河盡意明”的清朗疏闊，還是“遲遲鐘鼓初長夜，耿耿星河欲曙天”的哀婉惆悵，都彰示出人類似乎已經(jīng)習(xí)慣于將情緒寄托給頭頂密布的繁星。關(guān)于這種深埋在我們骨髓中對于宇宙的向往，美國作家蒂莫斯·費(fèi)里斯（Timothy Ferries）曾在作品中發(fā)表過獨(dú)到的見解：“從某種意義上而言，我們本來就是由恒星物質(zhì)創(chuàng)造的，它存在于我們的基因中，所以也可以說這是一種天然的好奇?！痹鴰缀螘r(shí)，廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院天文學(xué)系教授武劍鋒也是這樣一位有著強(qiáng)烈好奇心的“數(shù)星星的孩子”。他直言自己比較幸運(yùn)，生逢科技騰飛的時(shí)代，觀星技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展無疑為他與所向往的宇宙之間搭建起了一座無形的橋梁。

▲武劍鋒

由可見光到全電磁波段，再到引力波、中微子、宇宙射線等多信使觀測，由夜觀天象到理性分析宇宙緣起，人類經(jīng)過了漫長的探索時(shí)期，其中不乏許多里程碑式的驚艷時(shí)刻與名垂青史的大成之人，但卻沒有哪一位天文學(xué)家可以獨(dú)領(lǐng)發(fā)現(xiàn)黑洞的榮譽(yù)。這種時(shí)空曲率大到連光都無法逃脫的天體在長達(dá)20余年的時(shí)間中持續(xù)吸引著武劍鋒的注意?！昂诙吹降资鞘裁礃幼?？它從何而來？最終又將歸于哪里？”他用這3個(gè)西方哲學(xué)的永恒命題一遍遍拷問著夜空中無數(shù)神秘的星體。

星月皎潔，明河在心

武劍鋒與天體物理學(xué)的首次“照面”還要追溯到清華大學(xué)的課堂之上。1999年，他走入清華園就讀基礎(chǔ)科學(xué)專業(yè)本科，同時(shí)也開啟了自己人生中的全新追夢篇章。以無垠的時(shí)空和其中所有物質(zhì)為研究對象的物理學(xué)被武劍鋒奉為“理性思維的光輝”，值得他用盡心力去追尋。因此，頻繁往來于圖書館、教室之間“兩點(diǎn)一線”的生活軌跡并不讓他感到枯燥或是厭煩，反而對于天體物理學(xué)的接觸與研究總是重新勾起他孩提時(shí)代喜歡遠(yuǎn)眺星空的回憶，更堅(jiān)定了他畢生追求的信念。也是在這份保留至今的興趣和信念的驅(qū)使下，繼續(xù)在天文與天體物理學(xué)專業(yè)攻讀博士學(xué)位的決定成為了必然。

當(dāng)正式完成天文學(xué)與物理學(xué)科的交會(huì)，成為一名有著良好理學(xué)基礎(chǔ)的天文研究者后，武劍鋒發(fā)現(xiàn)每顆星體其實(shí)都有著自己獨(dú)特的過往，自然法則和歷史偶然事件的共同作用雕琢著它們的命運(yùn)，而人類在歷史的長河中拼盡了全力，目前卻也只拾得了一些真相的碎片。所以，距離發(fā)現(xiàn)新星、認(rèn)識宇宙，還有太長太遠(yuǎn)的道路要走，星月皎潔的光輝之下，廣闊天地仍大有所為。于是在攻讀博士學(xué)位期間，他將目光投向了被人類稱作“類星體”的特殊天體之中。

類星體與脈沖星、微波背景輻射和星際有機(jī)分子一道并稱為20世紀(jì)60年代天文學(xué)的“四大發(fā)現(xiàn)”。本質(zhì)上講，它們雖因看起來是“類似恒星的天體”而得名，但其實(shí)是活動(dòng)星系核的一種，是星系中心超大質(zhì)量黑洞活躍吸積狀態(tài)的外在表現(xiàn)。中心黑洞的質(zhì)量往往在太陽的百萬倍以上。它們通過猛烈吞噬周圍氣體而生長，這些氣體在黑洞周圍形成一個(gè)盤狀結(jié)構(gòu)，稱為吸積盤。通常來講，類星體應(yīng)該是一類亮得讓人眼花繚亂的天體——I型類星體的紫外和光學(xué)波段的光譜中通常具有很強(qiáng)的寬發(fā)射線，但就在最近20年，人們發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個(gè)特殊的類星體，其寬發(fā)射線非常弱，發(fā)射線強(qiáng)度比典型的類星體甚至要低一個(gè)量級以上。長期以來，這種弱發(fā)射線的成因總是讓天文學(xué)家感到困惑不解。

作為博士研究生的武劍鋒卻對此給出了自己的解法。他創(chuàng)新性地采用多波段分析的方法，發(fā)現(xiàn)弱發(fā)射線類星體的平均X射線輻射強(qiáng)度也顯著弱于典型類星體，并由此建立了其特殊發(fā)射線性質(zhì)和特殊X射線性質(zhì)之間的相關(guān)性。隨后，武劍鋒與合作者一拍即合，進(jìn)一步提出“屏蔽氣體”模型，成功解釋了弱發(fā)射線類星體的特殊發(fā)射線性質(zhì)和X射線性質(zhì)。這一模型獲得了國際同行的廣泛關(guān)注和引用。后續(xù)研究還發(fā)現(xiàn)，弱發(fā)射線類星體很可能代表著超大質(zhì)量黑洞以極快的速度吸積周圍氣體（超越“愛丁頓極限”）的一種狀態(tài)。也就是說，此種類星體中的黑洞吞噬氣體的速度要比普通類星體快得多。在宇宙最早期的階段，此種特殊類星體的占比顯著高于之后的時(shí)期，因此弱發(fā)射線類星體的研究也恰好同時(shí)為揭示宇宙最早的超大質(zhì)量黑洞的生長規(guī)律提供了線索，結(jié)論具有重大意義?，F(xiàn)在，武劍鋒正帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從X射線光變和亞毫米波觀測兩個(gè)新的角度進(jìn)一步定量限制弱發(fā)射線類星體的“屏蔽氣體”模型及它們和宿主星系的共同演化規(guī)律，以求更好地拓展人類認(rèn)知宇宙的視野。

其次，武劍鋒同樣沒有忽略對宇宙早期“射電燈塔”類星體的研究。具有明亮射電輻射的“射電噪類星體”具有高度準(zhǔn)直的相對論噴流，其蘊(yùn)含的高能粒子以接近光速的速度綿延在數(shù)萬甚至數(shù)百萬光年的尺度上，這幾乎是宇宙中最高能的現(xiàn)象之一。不過，雖然X射線輻射是噴流的重要特征，但其產(chǎn)生機(jī)制一直是領(lǐng)域內(nèi)爭論的焦點(diǎn)。一般認(rèn)為，噴流X射線有兩種主要輻射機(jī)制——同步輻射自身的康普頓化和宇宙微波背景輻射的逆康普頓散射，但人們對哪種機(jī)制起主導(dǎo)作用仍然莫衷一是。因此，武劍鋒研究了宇宙早期高射電噪度的類星體，首次發(fā)現(xiàn)了這些類星體X射線輻射的超出現(xiàn)象，其相對X射線輻射強(qiáng)度大約是晚期宇宙同種類星體的3倍。用宇宙微波背景輻射的逆康普頓散射機(jī)制隨時(shí)間的演化能夠很好地解釋這一發(fā)現(xiàn)。盡管在更近鄰的宇宙，這一機(jī)制并不占有主導(dǎo)地位，但隨著紅移的增加，也就是推移到宇宙更早期，由于宇宙微波背景輻射能量密度的增加，這種機(jī)制產(chǎn)生的X射線輻射顯著增強(qiáng)并占據(jù)主導(dǎo)地位，因此宇宙早期噴流的X射線輻射會(huì)有超出。簡單而言就是，這一工作成功利用了這種機(jī)制的主導(dǎo)性，將宇宙不同時(shí)期的歷史聯(lián)系了起來，為人們還原了早期宇宙的部分風(fēng)貌。

凝視“深淵”，“打撈”真相

“我每到一個(gè)新的機(jī)構(gòu)工作，都會(huì)努力使我的科研領(lǐng)域再拓展一些?！眱啥卧谑澜珥敿壧煳膶W(xué)研究機(jī)構(gòu)——美國哈佛-史密松天體物理中心和密歇根大學(xué)的博士后研究經(jīng)歷讓武劍鋒有感而發(fā)。而得益于同仁的交流幫助與前輩的指導(dǎo)，他的科研領(lǐng)域也從研究黑洞擴(kuò)展到了發(fā)現(xiàn)黑洞。

▲武劍鋒在給廈門大學(xué)天文學(xué)專業(yè)本科生講授“高能天體物理學(xué)”

人類歷史上發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)存在的第一種黑洞，是恒星級黑洞，也就是大質(zhì)量恒星生命終點(diǎn)的產(chǎn)物。根據(jù)“黑洞無毛定理”，只需要質(zhì)量和自旋這兩個(gè)基本參數(shù)就可以完備地描述一個(gè)天體物理學(xué)中的黑洞（電荷通常認(rèn)為是0）。而在這兩個(gè)參數(shù)中，質(zhì)量是更為基本的那一個(gè)。因此，精確測量黑洞質(zhì)量自然變成了其他黑洞研究的前提?？梢源_定的是，如今通過電磁波段觀測被明確證認(rèn)的恒星級黑洞都存在于雙星系統(tǒng)中，即黑洞和一顆普通恒星（稱為伴星）相互繞轉(zhuǎn)組成的系統(tǒng)。但不幸的是，對于伴星為小質(zhì)量恒星（跟太陽類似或更?。┑碾p星，準(zhǔn)確測量其黑洞質(zhì)量一直是一個(gè)難題。其中的主要原因是黑洞周圍吸積盤所產(chǎn)生的輻射會(huì)污染來自伴星的輻射，從而使整個(gè)系統(tǒng)在光學(xué)波段出現(xiàn)額外的不規(guī)則光變，這就會(huì)為黑洞質(zhì)量的測量帶來顯著的誤差。武劍鋒在哈佛-史密松天體物理中心做博士后研究期間，首次使用了嚴(yán)格的光譜和測光觀測方式，通過光譜定出吸積盤的輻射占比，并利用這一占比修正測光得到的光變曲線，從而精確地測量出黑洞的質(zhì)量，并且他還將這種方法應(yīng)用于黑洞雙星Nova Muscae 1991（蒼蠅座新星），改正了前人對于其黑洞質(zhì)量的偏差，為今后的小質(zhì)量黑洞雙星的質(zhì)量測量提供了范例。

據(jù)武劍鋒介紹，迄今在銀河系中已發(fā)現(xiàn)并認(rèn)證的黑洞雙星只占理論預(yù)言數(shù)目的“冰山一角”?！斑@說明傳統(tǒng)搜尋黑洞雙星的方法效率較低，還有眾多的黑洞雙星等待我們?nèi)グl(fā)掘?！币虼?，在幾乎同一時(shí)期，武劍鋒作為“銀河核球巡天”項(xiàng)目的核心成員之一，致力于探索發(fā)現(xiàn)黑洞雙星的新方法，其核心和宗旨是將X射線巡天和后隨光學(xué)光譜觀測相結(jié)合。使用這種方法，他和團(tuán)隊(duì)很快遴選出了一批黑洞雙星的候選體。從向往星空到聚力黑洞，武劍鋒已在漫天星河中找準(zhǔn)了屬于自己的研究坐標(biāo)——凝望宇宙深淵，探尋起源真相。

“無用之用，方為大用”

關(guān)于“探索宇宙的現(xiàn)實(shí)意義”的問題，武劍鋒從學(xué)生時(shí)代一路被問到如今?，F(xiàn)在的他回國加入廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院已6年有余。多年的研究經(jīng)歷使他沉淀出了更深層次的智慧與行業(yè)認(rèn)知，對上述問題的答案也由“興趣所向，滿足自身求知欲”逐漸升華成了8個(gè)字——“無用之用，方為大用”。

天文學(xué)無用嗎？黑洞存在與否與我們的生活全無關(guān)系？當(dāng)然不是。這種看似遙遠(yuǎn)縹緲的自然現(xiàn)象往往孕育著未知的科學(xué)，不斷拓展著人類精神與想象的邊界，最典型的例子當(dāng)屬量子力學(xué)的誕生。也正因?yàn)閰⑽蛄诉@一點(diǎn)，武劍鋒表示未來仍會(huì)矢志不渝地堅(jiān)守在這條“追星”的探索道路之上?，F(xiàn)在，武劍鋒已經(jīng)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)將研究拓展到“中等質(zhì)量黑洞”這一新興前沿上，目標(biāo)是尋找和證認(rèn)質(zhì)量介于前述恒星級黑洞和超大質(zhì)量黑洞之間的新的黑洞類型，力圖對黑洞整個(gè)族群的性質(zhì)和起源獲得更為完整的認(rèn)識。

在海量的研究工作中，武劍鋒逐漸形成了自己的研究特長：大規(guī)模巡天和多波段分析。大規(guī)模巡天代表了當(dāng)今天文學(xué)發(fā)展的趨勢，使天文學(xué)真正從數(shù)據(jù)稀缺的時(shí)代步入了數(shù)據(jù)豐富的時(shí)代。多波段分析則是當(dāng)代天文學(xué)的又一個(gè)重要科研方法。“以往通過單個(gè)波段獲得的關(guān)于天體的信息往往較為片面，如盲人摸象，將多個(gè)波段的數(shù)據(jù)結(jié)合，并分析它們之間的相關(guān)性，才能獲得更為全面的信息?！彼忉尩?。

作為一名教師，武劍鋒同樣深感自己有將天文學(xué)帶入更多人視野的使命。所以，他不僅專注于發(fā)展自身的科研能力，還同樣將培養(yǎng)好學(xué)生的天文素養(yǎng)納入對自己的要求。入職廈門大學(xué)后，他十分注重課程教學(xué)，投入了大量時(shí)間和精力以提升自身的教學(xué)水平。功不唐捐，他也由此獲得了廈門大學(xué)英語教學(xué)比賽一等獎(jiǎng)（理工醫(yī)組第一名），且由他主講的兩門本科生課程受到廣泛好評。其中，通識課程‘黑洞與引力波’還入選了廈門大學(xué)一流本科課程，并受邀成為廈大美育與通識教育中心首批一流課程。“記得有一次我從外地出差回來，在機(jī)場等行李，有一位學(xué)生主動(dòng)走過來打招呼說之前上過我的‘黑洞與引力波’課程，我特別高興。”無論何時(shí)提起這段經(jīng)歷，他的眼睛總是亮晶晶的。正所謂“金杯銀杯不如學(xué)生的口碑”，武劍鋒深諳此理，才會(huì)多次在廈門大學(xué)及校門之外的多所中小學(xué)和科技場館作科普報(bào)告、設(shè)立天文小講堂。而這些活動(dòng)無一例外，反響都十分熱烈。他說：“這樣天文學(xué)不就真正貼近我們的日常生活了嘛?！?/p>

除了教學(xué)與科研之外，公共服務(wù)也是武劍鋒自覺承擔(dān)起的一部分工作。在由國家天文大科學(xué)中心和多所高校共同組成的“國際望遠(yuǎn)鏡機(jī)時(shí)計(jì)劃”（TAP）中，武劍鋒傾注了許多心血，亦曾擔(dān)任項(xiàng)目科學(xué)委員會(huì)輪值主席，主持各院校提交的望遠(yuǎn)鏡觀測申請的評審，為項(xiàng)目的順利實(shí)施切實(shí)作出了自己的貢獻(xiàn)。“這一項(xiàng)目是國內(nèi)天文院所獲得國際先進(jìn)望遠(yuǎn)鏡觀測時(shí)間的主要途徑之一?！睂τ陧?xiàng)目推進(jìn)的意義，他如此說。

“其實(shí)我做這些也不只是為了真的有什么用，也是一種‘情不自禁’——我認(rèn)為天文學(xué)者的心與靈魂，都該連接著星空?！贝送?，武劍鋒還自稱，在眾多種類的書目之中，自己最愛歷史類書籍，“知其然，還要知其所以然，事物的演變歷程往往最能直觀地反映其本質(zhì)與內(nèi)核?！彼运F(xiàn)在仍然如最初一般執(zhí)著于還原宇宙的歷史，因?yàn)槠渲猩畈刂祟惖挠蓙?，也在一定程度上?huì)決定世界的未來。