武剑锋 | “黑洞观察家”，在漫天星河中凝视幽暗

有太多的依据可以证明我们与古人仰望着同一片星空，无论是“今宵绝胜无人共，卧看星河尽意明”的清朗疏阔，还是“迟迟钟鼓初长夜，耿耿星河欲曙天”的哀婉惆怅，都彰示出人类似乎已经习惯于将情绪寄托给头顶密布的繁星。关于这种深埋在我们骨髓中对于宇宙的向往，美国作家蒂莫斯·费里斯（Timothy Ferries）曾在作品中发表过独到的见解：“从某种意义上而言，我们本来就是由恒星物质创造的，它存在于我们的基因中，所以也可以说这是一种天然的好奇。”曾几何时，厦门大学物理科学与技术学院天文学系教授武剑锋也是这样一位有着强烈好奇心的“数星星的孩子”。他直言自己比较幸运，生逢科技腾飞的时代，观星技术及设备的发展无疑为他与所向往的宇宙之间搭建起了一座无形的桥梁。

▲武剑锋

由可见光到全电磁波段，再到引力波、中微子、宇宙射线等多信使观测，由夜观天象到理性分析宇宙缘起，人类经过了漫长的探索时期，其中不乏许多里程碑式的惊艳时刻与名垂青史的大成之人，但却没有哪一位天文学家可以独领发现黑洞的荣誉。这种时空曲率大到连光都无法逃脱的天体在长达20余年的时间中持续吸引着武剑锋的注意。“黑洞到底是什么样子？它从何而来？最终又将归于哪里？”他用这3个西方哲学的永恒命题一遍遍拷问着夜空中无数神秘的星体。

星月皎洁，明河在心

武剑锋与天体物理学的首次“照面”还要追溯到清华大学的课堂之上。1999年，他走入清华园就读基础科学专业本科，同时也开启了自己人生中的全新追梦篇章。以无垠的时空和其中所有物质为研究对象的物理学被武剑锋奉为“理性思维的光辉”，值得他用尽心力去追寻。因此，频繁往来于图书馆、教室之间“两点一线”的生活轨迹并不让他感到枯燥或是厌烦，反而对于天体物理学的接触与研究总是重新勾起他孩提时代喜欢远眺星空的回忆，更坚定了他毕生追求的信念。也是在这份保留至今的兴趣和信念的驱使下，继续在天文与天体物理学专业攻读博士学位的决定成为了必然。

当正式完成天文学与物理学科的交会，成为一名有着良好理学基础的天文研究者后，武剑锋发现每颗星体其实都有着自己独特的过往，自然法则和历史偶然事件的共同作用雕琢着它们的命运，而人类在历史的长河中拼尽了全力，目前却也只拾得了一些真相的碎片。所以，距离发现新星、认识宇宙，还有太长太远的道路要走，星月皎洁的光辉之下，广阔天地仍大有所为。于是在攻读博士学位期间，他将目光投向了被人类称作“类星体”的特殊天体之中。

类星体与脉冲星、微波背景辐射和星际有机分子一道并称为20世纪60年代天文学的“四大发现”。本质上讲，它们虽因看起来是“类似恒星的天体”而得名，但其实是活动星系核的一种，是星系中心超大质量黑洞活跃吸积状态的外在表现。中心黑洞的质量往往在太阳的百万倍以上。它们通过猛烈吞噬周围气体而生长，这些气体在黑洞周围形成一个盘状结构，称为吸积盘。通常来讲，类星体应该是一类亮得让人眼花缭乱的天体——I型类星体的紫外和光学波段的光谱中通常具有很强的宽发射线，但就在最近20年，人们发现了数百个特殊的类星体，其宽发射线非常弱，发射线强度比典型的类星体甚至要低一个量级以上。长期以来，这种弱发射线的成因总是让天文学家感到困惑不解。

作为博士研究生的武剑锋却对此给出了自己的解法。他创新性地采用多波段分析的方法，发现弱发射线类星体的平均X射线辐射强度也显著弱于典型类星体，并由此建立了其特殊发射线性质和特殊X射线性质之间的相关性。随后，武剑锋与合作者一拍即合，进一步提出“屏蔽气体”模型，成功解释了弱发射线类星体的特殊发射线性质和X射线性质。这一模型获得了国际同行的广泛关注和引用。后续研究还发现，弱发射线类星体很可能代表着超大质量黑洞以极快的速度吸积周围气体（超越“爱丁顿极限”）的一种状态。也就是说，此种类星体中的黑洞吞噬气体的速度要比普通类星体快得多。在宇宙最早期的阶段，此种特殊类星体的占比显著高于之后的时期，因此弱发射线类星体的研究也恰好同时为揭示宇宙最早的超大质量黑洞的生长规律提供了线索，结论具有重大意义。现在，武剑锋正带领团队从X射线光变和亚毫米波观测两个新的角度进一步定量限制弱发射线类星体的“屏蔽气体”模型及它们和宿主星系的共同演化规律，以求更好地拓展人类认知宇宙的视野。

其次，武剑锋同样没有忽略对宇宙早期“射电灯塔”类星体的研究。具有明亮射电辐射的“射电噪类星体”具有高度准直的相对论喷流，其蕴含的高能粒子以接近光速的速度绵延在数万甚至数百万光年的尺度上，这几乎是宇宙中最高能的现象之一。不过，虽然X射线辐射是喷流的重要特征，但其产生机制一直是领域内争论的焦点。一般认为，喷流X射线有两种主要辐射机制——同步辐射自身的康普顿化和宇宙微波背景辐射的逆康普顿散射，但人们对哪种机制起主导作用仍然莫衷一是。因此，武剑锋研究了宇宙早期高射电噪度的类星体，首次发现了这些类星体X射线辐射的超出现象，其相对X射线辐射强度大约是晚期宇宙同种类星体的3倍。用宇宙微波背景辐射的逆康普顿散射机制随时间的演化能够很好地解释这一发现。尽管在更近邻的宇宙，这一机制并不占有主导地位，但随着红移的增加，也就是推移到宇宙更早期，由于宇宙微波背景辐射能量密度的增加，这种机制产生的X射线辐射显著增强并占据主导地位，因此宇宙早期喷流的X射线辐射会有超出。简单而言就是，这一工作成功利用了这种机制的主导性，将宇宙不同时期的历史联系了起来，为人们还原了早期宇宙的部分风貌。

凝视“深渊”，“打捞”真相

“我每到一个新的机构工作，都会努力使我的科研领域再拓展一些。”两段在世界顶级天文学研究机构——美国哈佛-史密松天体物理中心和密歇根大学的博士后研究经历让武剑锋有感而发。而得益于同仁的交流帮助与前辈的指导，他的科研领域也从研究黑洞扩展到了发现黑洞。

▲武剑锋在给厦门大学天文学专业本科生讲授“高能天体物理学”

人类历史上发现并确认存在的第一种黑洞，是恒星级黑洞，也就是大质量恒星生命终点的产物。根据“黑洞无毛定理”，只需要质量和自旋这两个基本参数就可以完备地描述一个天体物理学中的黑洞（电荷通常认为是0）。而在这两个参数中，质量是更为基本的那一个。因此，精确测量黑洞质量自然变成了其他黑洞研究的前提。可以确定的是，如今通过电磁波段观测被明确证认的恒星级黑洞都存在于双星系统中，即黑洞和一颗普通恒星（称为伴星）相互绕转组成的系统。但不幸的是，对于伴星为小质量恒星（跟太阳类似或更小）的双星，准确测量其黑洞质量一直是一个难题。其中的主要原因是黑洞周围吸积盘所产生的辐射会污染来自伴星的辐射，从而使整个系统在光学波段出现额外的不规则光变，这就会为黑洞质量的测量带来显著的误差。武剑锋在哈佛-史密松天体物理中心做博士后研究期间，首次使用了严格的光谱和测光观测方式，通过光谱定出吸积盘的辐射占比，并利用这一占比修正测光得到的光变曲线，从而精确地测量出黑洞的质量，并且他还将这种方法应用于黑洞双星Nova Muscae 1991（苍蝇座新星），改正了前人对于其黑洞质量的偏差，为今后的小质量黑洞双星的质量测量提供了范例。

据武剑锋介绍，迄今在银河系中已发现并认证的黑洞双星只占理论预言数目的“冰山一角”。“这说明传统搜寻黑洞双星的方法效率较低，还有众多的黑洞双星等待我们去发掘。”因此，在几乎同一时期，武剑锋作为“银河核球巡天”项目的核心成员之一，致力于探索发现黑洞双星的新方法，其核心和宗旨是将X射线巡天和后随光学光谱观测相结合。使用这种方法，他和团队很快遴选出了一批黑洞双星的候选体。从向往星空到聚力黑洞，武剑锋已在漫天星河中找准了属于自己的研究坐标——凝望宇宙深渊，探寻起源真相。

“无用之用，方为大用”

关于“探索宇宙的现实意义”的问题，武剑锋从学生时代一路被问到如今。现在的他回国加入厦门大学物理科学与技术学院已6年有余。多年的研究经历使他沉淀出了更深层次的智慧与行业认知，对上述问题的答案也由“兴趣所向，满足自身求知欲”逐渐升华成了8个字——“无用之用，方为大用”。

天文学无用吗？黑洞存在与否与我们的生活全无关系？当然不是。这种看似遥远缥缈的自然现象往往孕育着未知的科学，不断拓展着人类精神与想象的边界，最典型的例子当属量子力学的诞生。也正因为参悟了这一点，武剑锋表示未来仍会矢志不渝地坚守在这条“追星”的探索道路之上。现在，武剑锋已经带领团队将研究拓展到“中等质量黑洞”这一新兴前沿上，目标是寻找和证认质量介于前述恒星级黑洞和超大质量黑洞之间的新的黑洞类型，力图对黑洞整个族群的性质和起源获得更为完整的认识。

在海量的研究工作中，武剑锋逐渐形成了自己的研究特长：大规模巡天和多波段分析。大规模巡天代表了当今天文学发展的趋势，使天文学真正从数据稀缺的时代步入了数据丰富的时代。多波段分析则是当代天文学的又一个重要科研方法。“以往通过单个波段获得的关于天体的信息往往较为片面，如盲人摸象，将多个波段的数据结合，并分析它们之间的相关性，才能获得更为全面的信息。”他解释道。

作为一名教师，武剑锋同样深感自己有将天文学带入更多人视野的使命。所以，他不仅专注于发展自身的科研能力，还同样将培养好学生的天文素养纳入对自己的要求。入职厦门大学后，他十分注重课程教学，投入了大量时间和精力以提升自身的教学水平。功不唐捐，他也由此获得了厦门大学英语教学比赛一等奖（理工医组第一名），且由他主讲的两门本科生课程受到广泛好评。其中，通识课程‘黑洞与引力波’还入选了厦门大学一流本科课程，并受邀成为厦大美育与通识教育中心首批一流课程。“记得有一次我从外地出差回来，在机场等行李，有一位学生主动走过来打招呼说之前上过我的‘黑洞与引力波’课程，我特别高兴。”无论何时提起这段经历，他的眼睛总是亮晶晶的。正所谓“金杯银杯不如学生的口碑”，武剑锋深谙此理，才会多次在厦门大学及校门之外的多所中小学和科技场馆作科普报告、设立天文小讲堂。而这些活动无一例外，反响都十分热烈。他说：“这样天文学不就真正贴近我们的日常生活了嘛。”

除了教学与科研之外，公共服务也是武剑锋自觉承担起的一部分工作。在由国家天文大科学中心和多所高校共同组成的“国际望远镜机时计划”（TAP）中，武剑锋倾注了许多心血，亦曾担任项目科学委员会轮值主席，主持各院校提交的望远镜观测申请的评审，为项目的顺利实施切实作出了自己的贡献。“这一项目是国内天文院所获得国际先进望远镜观测时间的主要途径之一。”对于项目推进的意义，他如此说。

“其实我做这些也不只是为了真的有什么用，也是一种‘情不自禁’——我认为天文学者的心与灵魂，都该连接着星空。”此外，武剑锋还自陈，在众多种类的书目之中，自己最爱历史类书籍，“知其然，还要知其所以然，事物的演变历程往往最能直观地反映其本质与内核。”所以他现在仍然如最初一般执着于还原宇宙的历史，因为其中深藏着人类的由来，也在一定程度上会决定世界的未来。