人類從具有理性的那一刻開始，也開啟了對頭頂上星空的好奇心。廣袤的宇宙包羅永珍，現代天文學家們到底如何“讀懂”星星的語言？
【演講專家】
李然
中國科學院國家天文臺星雲人才計劃研究員、
科普作家
【演講地點】
“知乎2018年度TALK——新知青年說”大會
在我們的這個地球上，有3/4的地方被廣闊的水域所覆蓋，但依然有很多人沒有見過海洋。從另一個方面來說，如果想見到一個很廣闊的東西，其實很簡單。
你可以在夜晚的時候，去一個光汙染不嚴重的地方，抬起頭，頭頂上的這片星空要比大海更遼闊，每一顆星星發出的光芒都需要至少跑上幾十或者幾百光年才能抵達你的眼中，並且這片星空對於我們每一個人，無論是山區還是城市，對它都有同樣平等接觸的權力，所以，從人類具有理性的那一刻開始，也開啟了對頭頂上星空的好奇心。
大概2500年前，在世界文明發源地之一，希臘的愛琴海海域，一些學者第一次開始思考，星空不僅僅是迷人神秘的，而且確實被某種規律所支援。
1609年， 義大利天文學家、物理學家伽利略製作了人類歷史上第一臺天文望遠鏡。這個望遠鏡非常簡單，僅僅是把兩個鏡片連起來。
伽利略的折射望遠鏡圖
雖然伽利略望遠鏡十分簡陋，比現在的望遠鏡差遠了，但是當你使用這樣簡陋的工具對準星空，看到的星星也不再是之前裸眼看到的那些“舊的星星”了。
2018年4月25日，歐洲航天局（European Space Agency） 的蓋亞宇宙飛船 （Gaia） 釋出資料，其中一張由近17 億顆恆星組成的銀河系檢視備受關注
當伽利略使用望遠鏡對準了銀河（Milky Way）後就發現，銀河不是神話中“牛奶”組成的“一條銀帶”——實際上，它是由密集的、數不清的繁星組成的。
伽利略望遠鏡看到的木星景象
僅僅是拿望遠鏡看一眼銀河，知道銀河是由無數顆星星構成後，你就會對地球在宇宙中的位置有進一步瞭解。為什麼呢？不管是夏天還是冬天，都可以看到這條銀河，這很可能意味著，我們的地球存在於一個盤狀的恆星分佈中。
藉助科技日新月異的飛速發展，現代天文學家們使用的哈勃望遠鏡當然比伽利略時期的望遠鏡精密準確更多，當不斷地對著天空的某個地方去拍照，你會發現越來越多的星星，會從肉眼看不到的地方顯現出來。除了越來越多的恆星，也有越來越多的星系。每一個星系裡面，可能都包含著上百億或上千億的星星。
我們都知道，如果想要拍出夜晚的星空，就需要儘可能增加相機的曝光時間。
哈勃望遠鏡的這張照片名為“極超深場”（XDF），是有史以來人類拍攝的最遙遠星空，覆蓋的天空區域僅僅相當於一個滿月張角的很小一部分，但仍然包含了多達5500 個星系天體目標，其中最闇弱星系的亮度僅有人類肉眼可見最闇弱天體亮度的億分之一。（供圖：李然）
這張圖上有一個非常小的橘黃色框區域——差不多就是你伸直手臂，一根手指能夠擋住的天空大小。這樣一塊很小的天空，是整個月球大小的1/200。哈勃望遠鏡就對著這塊看上去什麼都沒有的天空裡面，拍了100萬秒的時間。在這塊看上去什麼都沒有的天空裡面，出現了非常迷人的畫面。這些璀璨的星星大概有200萬個，每個都像相連的寶石一般閃閃發光。
今天的天文學家很大程度上一直在做這樣一件事情：去拍攝我們的天空，把天空上的星星記錄下來。
在伽利略和他之後100年的時代裡，拍攝天空是非常辛苦的。而在50年前，著名天文學家、美國芝加哥大學天文學博士愛德溫·哈勃（哈勃空間望遠鏡命名者）的時代，他想要拍上一張照片，就要坐在望遠鏡的焦點上，在一個鐵籠子裡，待上整整一晚。今天，像我這樣比較懶惰的天文學家就可以很舒服地去操作完全計算機化的望遠鏡，當我在夢鄉中的時候，計算機也會忠心耿耿地幫助我去採擷任何一個我想要的“宇宙切片”，並把它完全記錄在電腦中。
儲存一小片宇宙。（供圖：李然）
除了採集“宇宙切片”，我們還可以使用一個光纖把任何一個星系裡的任意部分的星光匯出來並分析它。怎麼分析呢？有的人可能玩過稜鏡，稜鏡可以輕鬆地把一束太陽光“變成”七彩光。這裡也是差不多的原理。
把遙遠星系的一部分星光從光纖裡面匯出來，讓其經過光譜儀，這部分星光就像太陽光被稜鏡“展開”那樣，也被“展開”為七色光。這些“顏色”其實就是光的波長，光譜儀可以非常精細地把星光“展開”為每一個非常具體的顏色，這樣的星光裡面有一些非常有意思的結構被稱為“譜線”，就是說有一些色彩要比其他地方更加亮。這些光的“顏色”，原則上會告訴我們，在遙遠的星系裡面，存在著什麼樣的原子和分子，甚至也告訴我們，這些遙遠的星系內部到底是如何運動的。
國際光學巡天資料 ：“解剖”鄰近宇宙的 10000 個星系（供圖：李然）
這是怎樣看出來的呢？因為當恆星運動時，它朝向我們而來，它的光會顯得更加藍一些。當恆星離我們而去的時候，它的光芒會更加紅一些。所以當我們星系內部每一部分的星光都用光纖進行分析的話，我們就可以得到一張一半藍一半紅的圖。
這說明這個星系，一半的恆星在朝向我們而來，另一半在朝向我們而去。為什麼會出現這樣的情況，是因為這個星系在旋轉。上半部分的恆星會朝我們而來，下半部分的恆星會離我們而去。透過這樣的方法，我們就可以描繪出這個星系運動的結果。
那麼為什麼我們去關注星系內部這些恆星的運動呢？因為我們知道一個束縛的引力系統，比如地球的周圍的這些衛星，它運動的速度實際上跟地球的質量有關。那麼對於一個遙遠的星系來說也是這樣，這個星系有多重，也就決定了這個星系裡運動的恆星有多快。反過來如果我們知道了這個星系不同地方的恆星是如何運動的，就可以推知它的引力分佈是什麼樣的。不光可以揭示出來這個星系有多少發光的恆星，也可以揭示出來這個星系裡有多少不發光的暗物質。
實際上，我在過去一到兩年裡，有一半的時間都用來研究描繪鄰近宇宙的星系，它們這種具體而細微的結構。當我們將整個宇宙“繪製”出來，就可以得到一個宇宙的藍圖。這張藍圖是什麼樣子呢？
（供圖：李然）
實際上就比較像這張圖片的樣子：上面顯示了人類拍到的每一個星系，把它到我們的距離和它們在天上的位置都畫在一張紙上。所有的星系的位置畫在一起的時候，形成了一個網狀的結構。在網狀結構裡面顯得比較亮，顏色比較紅的地方里麵包含的星系就多一些。
我們也可以看到有一些非常細長的像是一個纖維結構的東西，那麼在這些纖維結構裡面，可能包含著上萬甚至上百萬的星系，而這些結構在我們宇宙裡面可能蔓延上百萬光年。當然這裡面還有非常大的空洞，這些空洞裡面沒有星系存在。這些形成了整個宇宙的結構。那麼天文學家們做的事情是什麼？實際上是在宇宙這個很大的結構裡面，把每一點都“繪製”得更精細。這樣的事情有什麼意義呢？
現代城市建築的形態往往取決於建築材料的材質，宇宙也是如此。
（供圖：李然）
宇宙的形成和演化的秘密，和它內部每一個星系的秘密都息息相關。透過認真地繪製宇宙的一個星系，增進我們對整個宇宙演化、恆星形成的瞭解，對暗物質到底是什麼等疑問進行回答。
最後，讓我用海涅的詩來結尾：“星星們高掛空中，千萬年一動不動，彼此在遙遠相望，滿懷著愛的傷痛，它們說著一種語言，美麗悅目，含義無窮。”
作為一個天文學家，我覺得我能夠聽懂星星的語言。當你也讀懂了一點點星星們的語言，就可以對我們生存著的神秘宇宙的瞭解也增加一點點。
整理/編輯 吉菁菁
供圖/視覺中國（除署名外）
出品：科普中央廚房
監製：北京科技報 | 科學加客戶端
本期編輯：廖邁倫