天文學家是做什麼的？不是做天氣預報的，也不是聊星座的
出品："格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）
以下內容為天體物理學家、中科院上海天文台研究員郝蕾演講實錄：
提起天文，大家可能感覺既熟悉又陌生。每個人都可以仰頭看星星看天空，但天文學究竟是什麼呢？
我與陌生人聊天，跟他們談起我是做天文的時候，得到的反應是五花八門的。有的人會跟我聊天氣，説你們天氣預報怎麼不準呢？有的人會跟我説，你知不知道外星人、UFO是怎麼回事？還有人會跟我聊星座……
其實這些都不是我們平時所説的天文研究。
靠譜一點的，會跟我提到太陽或者星星之類。當然，還有一類非常可愛的天文愛好者，他們對我們專業會更瞭解一些。
他們有時候會親自去做一些天體拍攝，這些照片把一些平時看不到的美景帶到我們面前，非常令人感動。
不過即使是這些美麗的照片，和我平時接觸到的天文研究，也還是有點差距的。我們究竟是在做什麼呢？
其實天文真正讓我心潮澎湃的，並不是這些美麗的照片，而是這些照片背後呈現出來的故事，以及我們如何去破譯這些故事的過程。
其實我一開始並不是做天文的，我是在研究生的時候才轉入天文專業的。
那個時候，因為要準備一個學期報告，就開始系統地讀一些文獻，然後就驚異地發現，“哇，天文學家怎麼對我們的宇宙、對恆星、星系知道的這麼多！”
比如説，我們都知道宇宙是膨脹的，可是天文學家居然知道這個膨脹是加速進行的，也就是説，它膨脹得越來越快。
而且這些結論還不是胡説，它是有事實有根據，有一定邏輯關係的。而且，這樣子的邏輯推理我讀起來也能理解，覺得它合情合理。當時，這個對我震撼非常大。
我發現宇宙好像一本書，以前我只看到封面美麗的圖片，現在我開始讀裏面的內容了。慢慢的，當我看到這些美麗天體的照片的時候，我不僅僅只是驚歎：“哇，好漂亮，太震撼了”，而是開始讀裏面的內容。
比如説，有的星系它是有結構的，像有的星系中心有雪茄一樣的棒旋結構，有的有螺旋一樣的結構；
而有的星系是沒有結構的。碰巧這些沒有結構的星系，它的顏色看上去更紅一點，而那些在漩渦裏面的星系，感覺更藍一些。
比如説宇宙是怎麼來的，它將要演化到什麼狀態？我們現在這個狀態的銀河系是怎麼來的？我們的太陽又是怎麼出現的？
我們的太陽最後會有一個什麼樣的命運，這樣的命運對我們地球是一種什麼樣的影響？還有沒有像地球這樣的行星等等這樣子的故事。
我給大家舉一個例子，看我們怎麼去閲讀我們的宇宙。大家都知道我們生活在銀河系裏，對吧？那麼有多少人親眼見過銀河系？
好像有一些，但不是特別多。很遺憾，現在很多人生活在城市裏面，城市的燈光太亮了，銀河系表面亮度是很低的，所以在城市很亮的情況下就不太容易見到銀河了。
這張圖片拍攝的是一個比較震撼的銀河系照片，它拍攝於美國北部的一個國家公園裏。
其實回答這樣的問題，恰恰就是天文學家在銀河系領域比較熱衷的研究方向。
稱稱銀河有多重
我們怎麼做呢？我們通過測量不同恆星離地球的距離，以及它們的運動狀態，通過建立某種模型來推測、重新構建銀河的樣子。
假如我們從上往下看銀河的話，銀河系的中心有一個雪茄樣的棒旋結構，顏色偏紅，因為它有很多年老的恆星。
在這之外，有若干的旋臂，到底是三條、四條還是五條六條，是現在大家爭論的焦點之一。
我們還知道，銀河系裏面有很多像太陽的恆星，它們的質量有的比太陽大很多，有的比太陽小很多。
如果我們把這些恆星的質量加起來，可以得出，銀河系的質量大概是五百億個太陽質量這麼大。
我覺得這是一個很酷的數字，為什麼呢？感覺我們就像上帝一樣，拿着一把秤，稱銀河系到底有多重。
實際上更有意思的是，天文學家發現，銀河系裏的總質量應該遠遠比所有恆星加起來的質量要大得多。
有多大呢？應該至少有6000億個太陽質量這麼大。
天文學家為什麼會這樣説？是因為銀河系必須有這麼大的質量，才能拽着銀河系裏的某些恆星高速轉動。
比如説，太陽現在也以每秒220公里的速度繞着銀河系轉動，這個數字大家可以靜心想一下是什麼意思。
就是説，我們現在坐在這裏似乎沒有動，但如果在宇宙的框架下來看，我們實際上是動得非常快的。
假設我們不算地球的公轉、自轉，不算銀河系自身的運動，僅僅算太陽繞着銀河系的轉動，我們每秒就已經飛出去了220公里了。
這麼高的速度就要求銀河系裏的質量，一定要達到一定的量，否則太陽就飛出銀河系了。
太陽沒有飛出銀河系，表示銀河系裏一定有某種質量在拉着銀河系裏的恆星在轉。那麼這些多餘的質量是什麼？
天文學家們不知道，只知道是有這麼個東西，因為看不見它，所以天文學家叫它暗物質。
我們知道，銀河系是有鄰居的，它並不是孤零零的一個星系。它大概處在一個叫本星系羣的羣體裏面。
這個羣體大概有30到50個星系左右，裏面大部分的星系個體都比銀河系矮小。但是有一個大的鄰居。
它就是下圖的仙女座大星雲（M31），尺寸比銀河系還要大，它距離銀河系大概有兩百五十萬光年的樣子。
這是一個特別有意思的故事，關於仙女座大星雲。有研究發現，銀河系和仙女座大星雲，在朝着對方以非常快的速度靠近。
這説明在某個未來，大約四十五億年後的未來，銀河系將要撞上仙女座大星雲。
其實宇宙裏面星系和星系之間碰撞是經常發生的事情。比如下圖是離我們比較近的星系和星系碰撞的漂亮圖片。
但銀河系畢竟是我們的家園，如果銀河系要和M31碰撞的話，太陽會怎麼樣？太陽會撞上什麼東西，會灰飛煙滅嗎？
有一個好消息是，這種事情是不會發生的。
為什麼呢？因為在宇宙中，星系和星系之間的距離，相比於它們自身的尺寸來説，不是那麼大，所以星系和星系撞在一起的幾率還是挺大的。
但是，星系裏面的恆星其實很小，恆星和恆星之間的距離，相比於它們自身尺寸來説，其實要大很多很多。
所以，不管多少個星系撞在一起，一個太陽撞上另一個太陽的幾率是非常小的。
這是不是説我們就OK了呢？好像也不是。
天文學家模擬了銀河系和M31撞到一起的狀況。黃色的點表示這兩個星系中間的恆星，藍色的點表示這兩個星系中的氣體。
你會發現，氣體和恆星在這樣的碰撞過程中，他們的命運是不一樣的。
恆星的命運是什麼呢？他們在這種碰撞中會丟失角動量，然後會更快地聚集到星系中心去。
也就是説，太陽在這樣的碰撞中，很可能會急速地掉到星系更靠近中心的地方。
一般來説，星系中心的高能輻射會很強，如果太陽掉進去了，恐怕人類是不好承受的。假如人類在這場碰撞中活下來了，恐怕也沒有幾年好日子過，因為太陽也是有壽命的。
大概在50億年以後，也就是這個碰撞發生大概幾億年以後，太陽裏面的氫就燒光了。
燒光以後會進入它的第二個階段，我們叫做紅巨星的階段，它開始燒裏面的氦，它的體積會變得非常的巨大。
這個大紅球，基本上是兩倍於現在太陽到地球之間的距離，會完全把地球給吞噬掉，到那時候，地球也就沒有了。
我們可以從銀河系的很多圖片來解讀它們的故事，我們不僅看這些照片本身，我們還能夠通過某種物理規律，看到它的過去、預測它的未來，這是我覺得天文學特別有意思、特別有魅力的地方。
天文學讓我心潮澎湃的另外一個地方在於，我們能理解、閲讀的宇宙比我們想象的要大很多。
下圖顯示的是土星。這張照片最特別的地方不在於土星本身，而在於它左上角的這個小點點。有沒有人可以猜到這個小點是什麼東西？
如果把它放到整個太陽系尺度上的話，它是看不見的。就是説，太陽到地球之間的距離，在整個太陽系的尺度上，是看不見的。
再打個比方，我們現在用最快的火箭把人送出去，以直線距離衝出太陽系，用我們中華民族上下五千年的時間，也只能飛到太陽系不到1/4的地方。
所以説，整個空間真的非常大。即使你飛出了太陽系，到距離我們最近的一顆恆星，也還要再飛三倍太陽系這麼大的空間。
我們知道，銀河系有幾千億顆恆星，飛到離我們最近的恆星都這麼費勁，想要飛出銀河系就更遙遠了。
這麼一想，你是不是覺得很灰心，覺得好像沒什麼意思？實際上不要太灰心，因為天文學家有一種神器叫什麼？望遠鏡。
雖然實際的星際旅行不是很可能實現，但藉助於天文望遠鏡，我們可以實現這樣的星際旅行。我給大家看兩段視頻。
第一個視頻，假設我們坐在這樣的宇宙飛船上，飛船以大概每秒幾十光年的速度，從太陽往外飛去。
我們可以看到銀河系裏很多漂亮的星雲。這是有名的鷹狀星雲。你還可以看到很多恆星，還有氣體。這些灰黑的地方，實際上是塵埃，你把它想象成pm2.5就好了，實際上比那個還要更稀薄。
我們可以飛到太陽上面去，可以看到銀河系的中心，有一個我們叫核球的地方。再飛出銀河，我們看到我們的鄰居仙女座大星雲，它旁邊的一顆星系，我們叫M33。
閲讀宇宙，閲讀自己
下一個視頻，是假設我們坐一個飛得更快的宇宙飛船，這個宇宙飛船以大概每秒幾兆光年的速度往外飛行。
我們會看到一個什麼樣的圖景？
值得指出的是，這個視頻裏所有的星系，它的位置、它的距離、它的傾角以及它的顏色，都是實際觀測的，真實的。所以，假如我們真有這樣一個宇宙飛船的話，我們看到的宇宙就是這個樣子的。
當然，由於望遠鏡本身的限制和我們身處銀河系的一些限制，會有一些和實際情況不同的地方。
比如，你可能會注意到，我們越往遠處走，看到的星系越紅。其實這是一種選擇效應。
就是説，我們越往外走，那些紅的星系因為很亮才能被望遠鏡看到，那些更暗的藍色星系我們看不到，所以就沒法在圖片裏展示。
即使這樣酷的圖片，也只包含了大概60萬個星系，我們只看到整個宇宙1/10不到的空間。所以，天文學家一直想建造更強大的望遠鏡。
天文學裏的望遠鏡有很多種類，幾乎覆蓋了整個電磁波的所有波長。
大家可能知道，中國的FAST望遠鏡，是在貴州建立的500米的世界上口徑最大的望遠鏡，用來探測星系裏面的中性氫氣體還有脈衝信號。
在雲南麗江高美古觀測台，有一個2.4米的望遠鏡，這是我們中國最大的普通用途的望遠鏡。我一直致力在那上面配備一個光譜儀。
也正是通過這個項目，我深刻地體會到天文學實際上是一個很豐富的科學，它不僅僅是關於科學，它還包括工程技術管理等等很多東西。
比如在實施這個項目的過程中，就要求我們在3000多米的高美古高原上爬上爬下，細緻的時候我們需要關注這麼小的一個小螺絲，或者一根非常纖細的光纖；粗獷的時候，我們需要搬運一個幾噸重的鏡面、架子，等等。
正是通過這樣的項目，讓我慢慢地意識到我真正的興趣所在，我發現我不僅僅對科學感興趣，也對這種有粗有細的工程技術感興趣。
可能也正是因為天文學的豐富性，讓我對天文這麼着迷。
我很慶幸找到天文學作為我的職業。它每天都在帶給我新的挑戰，讓我不斷地開拓視野，沉澱自己的心靈。
所以對我來説，閲讀宇宙也是在閲讀自己，它是一次特別非凡的心靈之旅。