不断拓展对宇宙的认知,似乎慢慢的变成了人类好奇天性的一部分。 此次举行的第六届世界顶级科学家天文分论坛将提供一次机遇,让我们近距离聆听全球 大科学装置、科学设施的负责人、科学家们的真知灼见,听他们介绍国际空间天文科学计划和工程的最近进展与成果,以及 将如何推动天文学、天体物理学等领域的研究进入全新的时代。
大约137亿年前,致密、高温状态下发生了宇宙大爆炸,时空和宇宙随之诞生。
美国国家科学院院士,加州大学圣克鲁兹分校利克天文台文学家、名誉教授,加州大学大学教授桑德拉·费伯(Sandra M. FABER),就以研究宇宙结构的演化以及星系的演化和形成而闻名,他共同发现了星系的亮度与星系内恒星的速度之间的联系——Faber-Jackson相关性。
星系中的物质在引力作用下,绕着星系中心旋转,而星系中心极易形成超大质量黑洞。目前,对于黑洞生成已经有了很多说法。让我们大家都知道在星系之外,它还可能在星团中存在。
在广义相对论的理论图景中,两个被彼此引力锁定的黑洞会不断地互相绕转和吸引,最终并合为一个更大的黑洞。黑洞的引力强大,使得它不断吞食周边的物质,而那些未被吃光,而仅仅被撕碎的部分就成为了吸积盘。
以理论天体物理学为媒,美国康奈尔大学天文学冠名教授,上海交通大学李政道研究所李政道讲席教授(访问)赖东将为我们揭开吸积盘、黑洞以及天体物理磁流体力学等的奥秘。
我们知道,黑洞的旋转并合,以及绕行特有的规律性,使得科学家们常常通过其特殊的引力波数据,来发现它。
目前,太空引力波探测“太极计划”(Taiji)就重点瞄准中等质量双黑洞合并过程。中国科学院院士、中国科学院大学学术副校长,联合国教科文组织国际理论物理中心(亚太地区)主任,太空引力波探测“太极计划”首席科学家吴岳良将参与本次论坛。他曾表示,与地基探测相比,“太极计划”在太阳轨道探测引力波可以避开地球重力梯度噪声的影响,同时还能满足探测器气温变化控制在百万分之一的要求。
同样关注黑洞,还有一个研究方向是不直接关联于现有天文界,但与霍金辐射相关。在霍金辐射中,黑洞事件视界附近会自发产生成对的粒子。这对粒子中的一个在黑洞视界被制造出来之后就坠入黑洞,再也不见,而另一个却会逃逸,理论上是可以从外部观察到的。
霍金提出了两个相互矛盾的结论:黑洞蒸发,辐射带走信息,以及辐射不携带信息。并提出黑洞质量与其表面积、转动等的简单关系满足热力学第一定律。由此,黑洞表面积与熵正相关,且黑洞的信息主要聚焦于其表面。
宇宙中散落的雾气,在致密状态下拥有两种可能性,或者成为黑洞,或者成为恒星。
在黑洞故事之外,刘慈欣的超新星纪元描述了一个短暂而灿烂的人类文明世界。而正如流星、蝴蝶一般短暂而灿烂,超新星是一种恒星在发出短暂而耀眼光芒的特殊时期状态。
事实上,发着光芒的恒星内部一直在进行核聚变,可持续的核聚变要求它的热量放出要大于热量吸收。而当反应到一定阶段,铁元素成为它的中心,将导致反应的热量吸收大于放出,恒星内部冷却,恒星的外壳将向内坍缩,巨大的引力势能将点燃铁核的聚变,并产生超新星爆发。
领导了“高红移超新星研究组”(High-z Supernova Search Team)项目,并通过监测 Ia 型超新星证明宇宙膨胀率正在加速,2011年诺贝尔物理学奖获得者亚当·里斯(Adam RIESS)将为我们揭秘更多关于超新星和宇宙的奥秘。本次,他还将作为论坛的外方主席,为我们主持重要议题。
威尔金森微波背景各向异性探测器WMAP的结果告诉我们,宇宙中普通物质只占4%,23%的物质为暗物质,73%是暗能量。
不发光的暗物质,却有着有显著的引力效应。目前对于它究竟是什么还众说纷纭。而宇宙中占比更大的暗能量,是近年宇宙学研究的一个里程碑性的成果。
在理解暗物质的本质方面取得了开创性的进展,巴黎天体物理研究所物理学教授、约翰霍普金斯大学冠名物理学教授约瑟夫·西尔克(Joseph SILK)探索了探测暗物质的新型间接方法,并激发了新型望远镜的非常大规模的实验。
本次参会的中国科学院国家天文台研究员、宇宙暗物质暗能量团组首席科学家陈学雷利用解析模型和数值模拟方法研究不同理论在宇宙演化和天体物理过程中产生的各种物理效应,并构造了暗物质和暗能量的理论模型。亲自担任“悟空”号暗物质粒子探测卫星首席科学家的中国科学院院士、中国科学院副院长、中国科学院国家天文台台长常进也将参加本次论坛。
在暗物质和暗能量之外,天文学对宇宙中非暗物质、暗能量的物质统称为重子。而热重子,则是特定环境里的重子。有一批科学家正致力于高能天体物理学和粒子天体物理学研究,旨在通过高通量,高分辨率X射线光谱在银河系和星系际介质中寻找“失踪的重子”。
在浩瀚的宇宙中,是不是真的存在着和我们一样的生命?从《高达》到《星际穿越》,人们对寻求其他宜居地充满了幻想。
事实上,关于地外行星和地外生命的探索在现实中线”项目是一个由中国科学院资助,中国科学院上海天文台发起的系外行星巡天卫星科学观测项目。项目计划发射科学卫星,并从其探测到系外行星中,筛选出“另一个地球”,即“地球2.0”。它需要满足围绕着一颗相对温和的恒星运转;允许液态水存在; 表面是岩质的;拥有适宜的大气成分等与地球相似条件,从而创造孕育生命,并支撑生命繁衍与进化的环境。
就是“地球2.0”科学卫星背景型号研究项目创始人和首席科学家。他曾是科幻片《星际迷航》中的瓦肯星(Vulcan)系外行星的发现者,同时也是达摩(Dharma)近邻宜居行星巡天项目创始人和首席科学家,国际斯隆数字巡天三期MARVELS多目标地外行星巡天项目创始人和首席科学家。本次论坛,他将与2011年诺贝尔物理学奖亚当·里斯共同主持,担任本次论坛的联合主席之一。无独有偶,2019年诺贝尔物理学奖获得者、剑桥大学卡文迪许实验室物理学教授、日内瓦大学物理学教授
亦在寻找太阳系外行星方面颇有贡献。他曾共同发现了第一个环绕类太阳恒星飞马座51的行星飞马座51b,被誉为“天体物理学系外行星革命的起源”。作为“起源联盟”(Origins Federation)的负责人,在其领导下,全球的四所顶尖高校的科学家计划通过火星和木卫的星际任务以及詹姆斯·韦伯天文望远镜调查地球上生命的起源,尤其是寻找发生在宇宙另外的地方的类似生命形成的过程。
人类文化世界中的天文图景是天文学家以观测到的数据为基准,用人类天马行空的想象扩展出来的。
在理论世界,加州大学圣克鲁兹分校杰出教授、科维理天文与天体物理研究所首任所长
曾与英国理论物理学家约翰.帕帕洛易佐提出盘缝形成假说,与美国天文学家彼得.博登海默和德里克.理查德森提出行星轨道迁移假说。光是天文探测的重要手段之一。而激光是光中特殊的一种,能够最终靠锁模、分光等手段可以输出光相位稳定的光源。
LIGO望远镜的原理中,一束激光被镜子分成相位相关且方向垂直的两半,并再次用镜子反射使其相交,当引力波到来时,镜子由于时空间受到扰动而发生微小位移,由此产生干涉花纹。正是利用这样的技术,通过探测干涉花纹得到反射镜受到引力波的扰动,从而倒退倒推宇宙彼端的未知。
2017年诺贝尔物理学奖获得者、加州理工学院物理学冠名名誉教授、加州大学河滨分校物理学杰出教授
,将线上参与本次会议,他正是激光干涉引力波天文台(LIGO)主要发起者之一。创建了LIGO国际科学合作机制,巴里·巴里什探测到了由两个质量约为太阳30倍的黑洞并合而产生的引力波信号,这是人类首次直接探测到的引力波信号。
除了通过射电、激光望远镜,观测星系之间的红移、蓝移,观测微波背景辐射(CMB)也是天文观测方式的一种——它的信息源于出宇宙,人类能通过两点关联信息,在同性全天均匀的背景中发现不均匀的信息,并对宇宙形成做推演。约瑟夫·西尔克就对宇宙微波背景中的均匀性以及它们如何受到早期宇宙物质密度波动的影响进行了重要的早期工作,帮助宇宙学向一门高精度的科学转变。
法国国家科学研究中心及法国巴黎第十一大学奥赛太空天体物理研究所研究员、欧洲太空总署普朗克计划高频仪器首席研究员
的研究领域为宇宙微波背景,与合作者利用COBE数据首次认证了宇宙红外背景。煤气灶的火焰是蓝色的,而木炭的火焰是黄色的。在原子中,电子围绕原子核旋转,将巨大的能量稳定在电子的旋转轨道中,当这些电势能放出时,电子向更高轨道、跃迁甚至直接解离,电势能被以光子的形式放射而出。在这一过程中,不同物质会放射出一些特定波段的光子,被称为放射线。反之,不同物质也会吸收特定波段的光子,在光谱中形成吸收线。
利用这个属性,科学家们可以通过多波段搜寻判断物质并判断其状态。2022年,北京大学科维理天文与天体物理研究所(KIAA)所长、北京大学讲席教授
因在使用多波段数据搜寻黑洞驱动的活动星系核研究方面的开拓性贡献,以及在推动中国变成全球天文学强国方面的领导作用成为中国大陆唯一一位入选美国天文学会会士的科学家。
遥远的天体,往往只能将极少的光子送到地球。而想要发掘它,就需要一口超大的望远镜来接受远红外线,天眼应运而生。
中国的广阔国土,以及拥有高海拔地区的优势,对于制造FAST有着现实维度上的优势。广阔的国土,给需要远距离架设多口“大锅”,形成甚长基线干涉望远镜提供了先决条件(不过目前这一设想还没有落实)。而高海拔地区干净、稳定的大气层,则为望远镜接收粒子提供了更好的条件。
作为中国甚长基线干涉测量技术(VLBI)和卫星激光测距(SLR)的开拓者和奠基人,中国第一位女性天文台台长、中国科学院院士
长期从事天体测量和天文地球动力学研究,负责建立和发展中国综合世界时系统并长期保持国际领先水平,被誉为“中国时间之母”。同样从事射电天文学中的甚长基线干涉测量技术及其在天体物理中的应用研究,中国科学院上海天文台台长
领导的一个国际合作小组的工作因“发现了银河系中心人马座A*是超大质量黑洞的最新证据”入选“2005年度中国基础研究十大新闻”。
天体生物学尝试研究在何种环境下,行星上有生命存在的可能?天体化学则使用射电望远镜观测恒星附近的吸积盘里有咋样的化学元素及化学分子。
在计算机广泛参与科学研究的大背景下,人工智能也在参与着天文研究。新的望远镜或巡天项目的数据收集能力强大,为了从海量数据中寻找有用部分,并做更深层次的分析,研究者将训练模型来辅助人类处理数据。更有甚者,部分理论研究者通过观测收集到的数据来进行计算机模拟,从而对行星形成等长周期问题得到一个预测性的结果。
致力于河内恒星形成的观测研究、射电天文仪器和技术、天体化学和光谱学、脉冲星搜索及快速射电暴、数据分析算法等方面的研究,提出了利用傅立叶变换求解尘埃温度分布的新算法。天文界的未来,还仰仗更多优秀青年天文人的加入。
在天文教育界,普林斯顿、加州理工、哈佛大学、芝加哥大学等北美院校及研究机构富集了相当一部分天文资源。而在欧洲,德国的马普索与欧洲南方天文台的关系紧密。
整个研究生涯与哈勃太空望远镜有着密切联系,并会定期向天文学家、学生和公众讲授哈勃望远镜的新发现。他曾任国际天文学联合会(IAU)主席,致力于为IAU制定战略计划,指导该组织促进世界各地(尤其是新兴国家)的天文学和科学教育的发展。一起展望天文学的未来!当本次论坛进行到尾声,科学家们将积极共话如何推动国际大科学计划和大科学工程的开展与实施,共探科学“无人区”,并对如何培养更多面向未来的杰出“天文人”做出畅想。