天文学家的科研日常

小到一粒尘埃，大到整个宇宙，都藏有无穷秘密。天文学家就像一群侦探，从蛛丝马迹中去了解星星、星团、星系，乃至整个宇宙表观和内在的物理规律。

可蛛丝马迹从哪里来呢？这里要感谢一位伟人——400 年前发明望远镜的意大利天文学家、物理学家伽利略。借助于望远镜，天文学家可以观测到太阳系以外的星空。

我们的主要工作是观测天文现象，模拟天文预测，建立理论模型来解释天文现象。其中，测光和光谱是天文学中最常用的两种观测手段。

晴朗的夜晚，让望远镜对着星星拍照，然后统计所拍星星在单位时间内收集到的光子数——这就是我们常说的测光。

如果望远镜的终端是光谱仪（将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器）， 星星的光子透射和反射后会形成一条红橙黄绿青蓝紫的彩带，然后收集彩带上不同频率的光子——这就让我们得到了光谱。

随着望远镜孔径的变大和拼接镜面的发展，天文学迎来了新时代。天文学家可以在地面和空间，多频次地从射电、红外、光学、紫外、X射线、伽马射线全波段研究观测天体。

我最初进入天文研究阶段，恰逢中国南极科考队进行第24次南极科学考察。这一次，南极科考队首次在南极冰穹A 安装了4个口径为14.5厘米的小望远镜阵列CSTAR。我的研究课题， 就是对CSTAR 在2008年获得的350G海量测光数据进行处理，寻找变源，并对天文台址冰穹A 做评估。

为什么要把望远镜放置于南极？

因为天文观测对天文台址有较高的要求：天气稳定、水汽少、大气透明度高，没有城市灯光的污染。或者说，越不适合人类居住的地方，越适合天文观测。

图1：一颗星的孔径测光方法（供图/王灵芝）

图2：一个双星系统的光变曲线（供图/王灵芝）

南极大陆是地球表面最好的天文台址之一。首先，这儿天气极冷，水汽极少——水都凝结成冰了，空气也比较稳定。其次，它远离人类的生活区域。而且，南极大陆还能实现长时间连续不间断的极夜观测，观测条件能与太空观测媲美！

此外，美国夏威夷和智利北部沙漠也非常适合天文观测，加之便利的交通条件，这些地方安装有世界上绝大多数的、不同口径的望远镜。

作为观测天文学家，我们的一项主要工作，就是对同片天区多次拍照，再对每张照片进行测光。

具体来说，照片上的每一颗星，其亮度是从中心向边缘逐渐减弱的。我们先画一个小圆圈作为它的测光孔径（如图1 的红色圆圈），把这个圆圈内的光子计数加起来，然后在这颗星的周围画两个圆圈构成一个环，统计环里每个像素的平均光子值，并作为这颗星的背景值。当我们把这颗星的背景值减去后，就得到了这颗星的光子孔径测光值。

为什么要减去背景值？因为测光孔径内每个像素上的ADU（一种光子计数单位）计数，包括来自天体和天空背景的光子ADU计数。例如，如果某天是满月，月光会成为很亮的背景，我们看到星星的数目就少；如果没有月亮与云，天空背景低，我们就可以看到更多星星。所以，减去背景值即去掉这颗星的干扰因素。

获得了星星的一系列光子计数后，我们再将其按时间顺序排列，就得到了星星的光变曲线。图2展示了CSTAR 观测的一个双星系统一天的观测数据。当一颗星挡住另一颗星的时候，整个双星系统的亮度会变暗。因为这个系统的周期很短，所以在一天内能看到它重复了3 次多。

除了南极，我们不可能在地球其他地方（因为没有极夜条件。北极有极夜，但它是海）获得同一个望远镜一天24 小时的观测数据。CSTAR获得的这些海量测光数据，证实了在南极冰穹A 开展长时间连续不间断测光的可行性，对天文研究有着重要意义。

“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”。宇宙中有着太多现在还无法解释的现象，但随着技术的发展以及观测样本的增加，相信有朝一日我们一定可以揭开它们的神秘面纱。

（责任编辑 / 陈琛 美术编辑 / 周游）