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业余天文爱好者如何才能作出成就?
浏览: 发布日期:2019-10-18

  随着科学研究越来越向专业化发展,业余科学家为学科发展做出重要贡献的可能性正在日益减小。然而,正如著名生物学家巴斯德所说,“机遇偏爱有准备的头脑”,即使在今天,上的两篇论文。两篇论文的作者团队中都有业余科学家的参与,这些业余科学家如何做出重要科研成果,并在专业期刊甚至顶级期刊上发表论文的呢?

  Victor Buso是一名锁匠,住在阿根廷第三大城市罗萨里奥(Rosario)。2016年9月20日夜,在自己的小天文台里,Buso想要检测一个用来搭配41厘米直径望远镜的数码相机的性能。他将望远镜对准了头顶上方的一个距离地球8600万光年,叫做NGC 613的星系,用一次出40张照片、每张照片曝光20秒的模式开始拍照。一开始,没发现什么问题,但大约一个小时后,他的照片里出现了一个超新星。

  在观测到超新星后,兴奋的Buso在自己的天文台里和自己的望远镜合影。图片来源:Buso

  根据经验,Buso认定这是一颗非常年轻的超新星。兴奋的Buso在自己的天文台里和自己的望远镜合了影,并让朋友Sebastian Otero帮忙,在网上公布了这个发现[3]。

  Buso拍下的超新星(图中红圈圈出的黑点)及其所在的星系的照片。来源:参考文献[1]

  Buso公布的发现引起了职业天文学家的兴趣,并迅速获得了响应。不到一天,多个研究小组的望远镜就开始了对这个后来被命名为“SN 2016gkg”的超新星的持续观测。此后的理论研究认定,Buso 拍下的是一颗爆发后不到3小时的超新星[4,5]。

  超新星的理论研究认为:超新星爆发后发出强烈的激波冒出超新星表面时,会产生强烈的“激波突破辐射”,以X射线和紫外线为主,也包含持续几个小时的可见光;接着,被激波烧热的表面会冷却,发出可以持续几天“冷却辐射”;最后,放射性物质就像老式火锅中心可以将水煮沸的炭块一样,持续加热整个超新星,可以使辐射持续几百天。

  Arcavi等人[4]和Piro等人[5]取了Buso在网上公布的一两个数据,认为这是上面提到的“冷却辐射”。然而,阿根廷的职业天文学家Melina C. Bersten联系上了“老乡”Buso,拿到了全部的早期数据。处理、分析数据之后,Bersten提出:这不是“冷却辐射”,而是更早的“激波突破辐射”,因为只有后者可以解释那么迅猛的上升。Bersten的分析使得这个发现的重要性提升了好几个等级——此前被发现的“冷却辐射”有很多例,但被确认为“激波突破辐射”的却只有少数几例,且以X射线或紫外线为主,而这次很可能是首次观测到可见光形式的激波突破辐射。Bersten 用理论解释了全部数据,在2018年2月22日的《自然》(Nature)杂志上发表了论文[1]。这篇论文中,提供完整早期数据的Buso理所当然也是作者之一。

  理论曲线中存在三个“峰”,第一个峰来自“激波突破(shock breakout)辐射”,第二个峰来自此后的冷却(post-shock cooling)辐射,第三个峰来自放射性元素加热(radioactive heating)产生的辐射。图片来源:参考文献[1]

  与Buso这种单独干活的个体户不同,“Einstein@Home”(可以翻译为“在家里的爱因斯坦”或者“爱因斯坦在我家”)网站代表了业余天文学家参与天文研究的另外一种模式:它采用大规模联网来招募全世界的业余天文爱好者当志愿者,人数多达四五十万,来自200多个国家。Einstein@Home的志愿者们分析来自各类望远镜的海量数据,并将分析结果反馈给职业科学家。

  Einstein@Home的联网界面的屏保截图。图片来源:参考文献[6]

  2016年,Einstein@Home的志愿者从Fermi卫星过去五年多时间里获得伽玛射线个伽玛射线个是此前未被确认出来的新的伽马射线脉冲星。

  与Buso类似的是,Einstein@Home的志愿者在发现新的脉冲星之后,也将相关数据交给了职业科学家处理。Colin J. Clark 在得到数据之后,先给出完整的分析[7],然后又发现其中的两颗——PSR J1035−6720与PSR J1744−7619——是此前从未被发现的不发射“射电(无线电)”信号、只发射伽玛射线]。这些年老脉冲星只需要几毫秒(1毫秒等于1千分之1秒)就可以绕自己旋转一周(作为对比,地球要24小时才可以绕自己旋转一周)。它们因此被称为“射电宁静伽玛射线毫秒脉冲星”。

  Clark等人用更敏锐的方法做了进一步分析,探测到了其中一颗脉冲星发出的微弱射电辐射,而另一颗依然没有探测到射电辐射。此前已经观测到很多射电宁静的慢脉冲星(年轻脉冲星),但从未发现射电宁静的毫秒脉冲星(年老脉冲星),这次的研究实现了这方面零的突破。未来,这些方法可以用来搜寻其他射电宁静毫秒脉冲星[8]。

  Clark和Einstein@Home合作取得的成功,以封面故事的形式,发表在了2018年2月28日出版的《科学进展》上。杂志的封面图描绘的是脉冲星吞食伴星物质、发出辐射的艺术想象图。图片来源:NASA Dana Berry/Skyworks

  这也不是Einstein@Home的业余参与者第一次搞出大新闻了。早在2008年,信息技术工程师Chris Colvin、Helen Colvin 与系统分析师Daniel Gebhardtzai 使用Einstein@Home,在阿雷西博望远镜2017年2月的数据中就发现了一个奇特的脉冲星。职业天文学家们分析后,发现这个脉冲星来自一个被拆散的双星系统,相关的成果发表在2010年的一期《科学》(Science)杂志[9]。

  业余天文学家中不乏杰出人才,甚至是大师。著名的天文学大师、天王星的发现者威廉·赫歇尔就曾经是一个业余天文学家。曾经有一段时间,每年发现的超新星中有一半以上是业余天文爱好者发现的。即使在职业天文学家启动大规模超新星巡天,发现了大部分超新星的近几年,依然有一些超新星是业余天文学家发现的。Buso就是其中最幸运的几个之一。

  然而,即便是Buso这样幸运儿,只靠自己,也很难做出真正的科学成就。上面的两项研究都是业余天文学家和职业天文学家密切合作的成果。这样的案例,对于我们思考“业余天文学家如何如何做出公认的成果”这个问题是富有启发意义的。

  首先,科学研究本身虽然不区分身份,只看重研究者的研究方法、研究结果和评审方式。不过,研究过程中,一定要遵循科学精神、践行科学的研究方法,获得的结果也需经过同行的评审后,才有望成为真正的科研成果。

  其次,提高自身的水平,也是与职业科学家合作、赢得科学共同体认可的基本要素。即使是天文学这样一个好像拿着望远镜就可以获得成功的学科,接受专业的训练也是获得成果的基础。掌握重要的观测技巧、学会数据处理的方法,都是一个业余爱好者通向成功的重要途径。只有尽可能掌握专业人员所拥有的技能,才可以有效地缩小与专业人员之间的差距,进而与他们“平起平坐”。

  第三,业余科学家的一些发现,也常常需要职业科学家进行深入发掘。以Buso为例,他获得了早期的数据,但却是职业科学家凭借理论方面的功底,将其解释为“激波突破辐射”,这才显现出了这个发现的重要意义。反过来,职业科学家不以出身论英雄,尊重科学自身,主动邀请业余爱好者(如Einstein@Home的负责人们和邀请Buso合作的那些职业天文学家们)合作,也是获得一些重要成果的关键性因素。在论文[1]的研究过程中负责提供晚期数据的小组的负责人Alex Filippenko教授在评价那项合作时说:“这是业余天文学家与职业天文学家合作的一个杰出的例子。(This is an outstanding example of a partnership between amateur and professional astronomers.)”[10]

  不论如何,在天文学这门最古老的学科里,业余爱好者还有很多机会。但是,遵循科学精神、采用正确方法、提高专业技能、与职业天文学家的交流与合作,对于业余天文学家(以及其他学科的业余科学家)而言,才是做出真正科研成果的捷径。最后需要再次强调:无论是职业科学家还是业余科学家,他们的每一项科学研究,最终都要经过同行的评判,获得认可,才算是真正的科研成果。

  [1]作者之一的W. Zheng(郑伟康)博士提供论文[1]的合作小组合作过程的部分信息。

  8.有些脉冲星不发射射电的原因有:1、它们发出的射电辐射的亮度太低,无法被探测到;或者,2、它们发出的射电辐射始终不朝着地球方向,因此无法被地球上的仪器探测到。



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