发现宇宙最亮“星”

□ 北京大学 吴学兵

发现宇宙最亮“星”

□ 北京大学 吴学兵

2014年，一部来自北大的微电影“星空日记”曾风靡校园，吸引了众多少男少女的眼球，影片讲述的是一个家境困难的北大学生追求“摘星星”梦想的故事。2014年对我来说注定会是终生难忘的。就像“星空日记” 微电影中那位穷学生最终实现了“摘星星”的梦想一样，我带领的团队也发现了遥远宇宙中黑洞质量最大的最亮类星体。在论文终于被世界著名的科学期刊《自然》接受发表的那一刻，我决定也写一篇“星空日记”，记录下我们研究过程中这段不平凡的经历。

结缘类星体

类星体是天文学家于1963年发现的，是20世纪60年代天文学的四大发现之一。它们看起来形态很像恒星，但实际上却是银河系外其他遥远星系里明亮的活动星系核，其中心存在质量为百万倍以上太阳质量的超大质量黑洞。这些黑洞虽然自身不发光，但由于其强大的引力不断吸积周围的气体物质，使它们在快速落向黑洞的过程中以类似“摩擦生热”的方式释放出巨大的能量。发现类星体的主要方法是拍摄它们的光谱，辨认出光谱中强而宽的发射线。比较发射线在观测光谱中的波长与其在静止坐标系中的波长可以让我们计算出它的红移。由于红移是宇宙膨胀导致的，红移越大，则表示类星体的距离越远，它远离我们的退行速度也越大。由于类星体非常明亮，它就像漆黑宇宙里的探照灯一样，可以帮助我们研究遥远宇宙的结构与演化。

中国天文学家涉足类星体研究是在20世纪70年代末和80年代初，一批中国学者在改革开放后被陆续派往国外天文单位进行研究访问。其中何香涛教授在英国工作期间发现了很多类星体，陈建生院士和黄克谅教授等利用国外望远镜在类星体吸收线的观测研究中取得了重要的成果。但在国内由于缺少天文望远镜，对类星体的观测研究起步很晚。直到20世纪90年代初，我国2.16米光学望远镜在北京天文台兴隆观测站建成并进入正常运行后，利用它发现类星体就成为一项重要的科研任务。

图1 国家天文台兴隆观测站，2.16米望远镜圆顶。

我于1993年进入中国科学院北京天文台（现国家天文台）攻读博士学位，导师李启斌台长为我制定了黑洞吸积理论和类星体观测的研究方向。由于我以前从未使用专业望远镜做过天文观测，李台长安排赵永恒研究员带我去兴隆观测站学习观测。1994年3月，赵永恒、钟建霞等在利用2.16米望远镜对一颗X射线源进行光谱观测后，发现它是一颗红移为0.32的类星体，这是中国天文学家利用国内天文设备发现的第一颗类星体，我在兴隆观测站亲眼看到了这一过程。随后，我在胡景耀、赵永恒等研究员的帮助下，逐渐掌握了光谱观测的相关知识。1995年5月，在兴隆观测站，我与魏建彦研究员等利用2.16米望远镜对一些X射线源和射电源进行光谱观测后发现了8颗红移从0.33到1.09的类星体。1997年冬季和1998年春季，我又与德国学者合作利用2.16米望远镜发现了19个红移从0.35到2.35的类星体。从此以后，类星体就成了我所从事的天文研究的主要对象。

丽江之行

进入新世纪，随着美国斯隆数字巡天(SDSS)的开展，大批类星体在SDSS光谱巡天中被发现。我也和很多中国学者一样，利用向全球开放的SDSS数据进行了一些关于类星体的研究。2008年我国用于光谱巡天的郭守敬望远镜(LAMOST)建成，我积极投身于LAMOST类星体候选体的准备和光谱数据的分析中，并利用LAMOST测试阶段的光谱观测发现了一批类星体，红移最高达到2.77，成为LAMOST早期科学成果中的一个亮点。2011年底，云南天文台的丽江2.4米望远镜在完成测试工作后向全国天文界征集观测需求，我提交的“发现红移4以上类星体”的申请得到批准，观测时间是2012年2月底至3月初的6个夜晚。

丽江2.4米望远镜位于离丽江市区100公里以外的高美古，对它我并不陌生。我最早在1995年就跟随导师李启斌台长到过那时还处于天文台址监测初期的高美古，也曾在2005和2011年两次在丽江开会时到高美古参观过建设中的2.4米望远镜。但这次去是做观测，目的和以前完全不一样。在去丽江之前我认真地做了各种准备，利用美国SDSS光学巡天和英国UKIDSS近红外巡天数据选好了类星体候选体，并安排两名学生一起去观测。2012年2月26日我和研究生左文文先到成都，与已保研北大的四川大学本科生杨倩汇合后27日中午飞抵丽江。由于当晚就要观测，我们从机场直接坐出租车在我手机GPS的引导下到达离丽江城区100公里外的高美古观测站。稍作休息，晚饭后我们就直奔2.4米望远镜观测室，遇见观测助手、云南天文台的助理研究员易卫敏。当天天气不好，只观测了几个亮源，很遗憾没有发现新的类星体。高美古观测站海拔3200米，由于我们当天从成都直接来到高美古，未在丽江作适应性的休整，晚上我有非常明显的高原反应，头痛不已。幸好观测站备有药物，吃药后有所缓解。虽然观测不太成功，但我们对2.4米望远镜的性能有了更好的了解，这为我们后几天的观测打下了基础。

图2 位于美国阿帕奇点天文台的口径2.5米的斯隆数字巡天望远镜（SDSS）

图3 国家天文台兴隆观测站，雪后的郭守敬（LAMOST）望远镜。

2012年2月27号和28号，我们成功地通过观测发现了几个类星体，其中一个红移为4.6。我们尝试用email联系正在美国用6.5米多镜面望远镜(MMT)观测的同事，请他们也观测。几天以后，我们在高时，好消息也传来了。我们用2.4米望远镜发现红移是正确的。对此，这是国内望远镜发现的第一颗红移4以上的类星体。这次丽江之行，我们共发现了6颗红移在2.4以上的类星体，除红移为4.6的类星体外，另有两颗类星体的红移非常接近4。这次成功的观测给了我们极大的鼓舞，我们圆满地完成了发现红移4以上类星体的预定观测目标。它也证明只要找到合适的选源方法选出候选体，我们也可以利用国内的望远镜发现高红移类星体。

图4 云南天文台丽江观测站，2.4米望远镜。

图5 在丽江2.4米望远镜观测室，左起：吴学兵，易卫敏，左文文，杨倩。

在随后一年多的时间里，我们继续利用国内丽江的2.4米望远镜和兴隆的2.16米望远镜发现了更多的高红移类星体，最高红移从4.6,4.7增加到5.1。世界上已发现的20多万个类星体中，红移超过5的只有170个。在2013年成功地用国内2米级望远镜发现第一个红移5以上的类星体后，我们就确定了下一个目标，即发现更多的红移5以上的类星体。

惊人发现

图6 吴学兵在美国6.5米多镜面望远镜 （MMT）主镜前。

图7 美国两个8.4米的大双筒望远镜(LBT) (来自https:// www.as.arizona.edu/large-binocular-telescope)

2013年, 我的研究生王飞格和杨锦怡先后加入到高红移类星体项目中。由于意识到英国UKIDSS近红外巡天的覆盖天区太小，我们开始通过利用2012年释放的美国WISE红外卫星的全天测光数据和SDSS光学巡天数据，来选择LAMOST巡天中的类星体候选体和利用丽江2.4米望远镜观测的高红移类星体候选体。在2013年的观测中我们就利用丽江2.4米望远镜发现了几个红移5以上的类星体。

12月份，我和王飞格发现我们得到的高红移类星体候选体中有几个测光红移甚至大于6。其中一个源SDSS J0100＋2802，i波段星等接近21等，z波段星等为18.4等，光学的其他波段没有探测到，但在红外波段较亮，这些特征与红移6以上的类星体非常符合。由于i波段星等较暗，为增加信噪比我们请云南天文台易卫敏使用2.4米望远镜的最低分辨率光栅拍一下这个源的光谱。但由于知道红移6以上的类星体非常稀少且一般都比这个源暗很多，我们对此次观测的结果基本没抱太大希望。

12月31日，小易发来email，主题为“z>6的高红移类星体——辞旧迎新篇”，其附件的光谱中明显显示出9000埃左右的极强发射线。经过与类星体模版光谱的比较，我确认这应该是一个红移6.2以上的类星体，这让我们非常激动！2013年的最后一天和2014年的元旦我们都在激动中度过，彼此间反复用email讨论光谱的细节。由于2.4米望远镜的最低分辨率光谱还不足以最准确地确定红移，元旦刚过我们一方面请求2.4米望远镜继续用稍高分辨率的光栅再拍一下这一类星体的光谱，另一方面向我的合作者、美国Arizona大学著名类星体专家樊晓晖教授求助，希望他们用位于美国亚利桑那（Arizona）的MMT望远镜也做一下观测。1月2日午夜，小易发来2.4米望远镜的第2个光谱，分辨率比第1个好很多。在给小易和其导师白金明研究员的邮件中，我写道：“这是一个红移6.3的类星体已经确凿无疑了！它是国内发现的红移最大的类星体，其红移在国际上发现的类星体中能排进前十。” 几天过后，美国MMT望远镜和8.4米大双筒望远镜（LBT）所拍的更高质量的光谱陆续传来，再次确认我们用2.4米望远镜得到的结果没有任何问题。

应我们的要求，LBT甚至还拍了近红外波段的光谱，尽管由于曝光时间太短导致光谱信噪比不高，但还是让我们可以利用近红外K波段的谱线初步估计这颗类星体的中心黑洞质量在100亿太阳质量以上！而且，根据红移和星等我们计算出这颗类星体的光度也比其他所有红移6以上的类星体要高4倍以上。我们发现的这个类星体是遥远宇宙里发光最明亮、中心黑洞质量最大的类星体！

一波三折

在发现这一极亮的红移为6.3的类星体后，一方面我们开始积极申请更多的望远镜时间作后续的观测，另一方面我们决定写一篇论文公开这一重要发现。2014年2月我写好初稿，请王飞格补充了对Gunn-Peterson吸收和类星体近邻电离区大小的讨论部分，又请左文文增加了对黑洞质量的估算。稿子基本成形，但由于LBT的红外光谱质量不好，这对这颗类星体中心黑洞质量的估算有较大的影响，所以我们对文章是否可以投Nature心里还没有底。询问樊晓晖，他答应给Nature的天文编辑莱斯利•萨格（Leslie Sage）发一个email先问问。4月19日，樊晓晖转来莱斯利•萨格（Leslie Sage）非常肯定的回复，认为这一发现非常有意义(pretty interesting)，这让我们备受鼓舞。在对文章作了必要的修改后，6月20日我把它作为快报(Letter)投给Nature杂志。

7月10日，收到Nature转来的审稿意见。虽然两位审稿人都认为我们的发现非常重要，值得在Nature发表，但也都提出来最好能补充更高质量的近红外波段光谱以得到更准确的黑洞质量。这一中肯的评审意见其实也在我们的意料之中。如何能获得高质量的近红外波段光谱，成为我们的首要任务。

图8 2014年6月研究团队部分成员在北大，右起：易卫敏，王飞格，吴学兵，左文文，杨倩，杨锦怡。

由于国内没有红外望远镜，我们只能寻求樊晓晖的帮助。幸运的是他争取到了8月6日美国双子座(Gemini)望远镜1小时的观测时间，所得到的近红外光谱虽然比以前的LBT光谱好一些，但信噪比仍很不让人满意。9月份，LBT天文台的戴维•汤普逊（David Thompson）告知他帮我们对这个类星体拍了2小时的近红外光谱，信噪比还可以，得知这一消息我们很高兴。但不久当澳大利亚国立大学的边福彦博士帮我们处理完LBT光谱数据后，得到的结果让我们大失所望。由于背景噪音太大，信噪比与以前1月份观测的LBT近红外光谱相比其实没有任何改进。我们最后的希望落在了10月初的麦哲伦(Magellan) 望远镜观测上。

由于我们成功地申请到了我国的TAP(Telescope Access Program)计划，这让我们拥有位于智利的麦哲伦望远镜一晚上的观测时间，加上樊晓晖从美国亚利桑那（Arizona）大学申请到的另一晚上的时间，我们拥有在10月初利用麦哲伦望远镜两个晚上观测这一类星体的机会。樊晓晖亲自带着王飞格、杨锦怡两位北大的研究生奔赴万里之遥的麦哲伦望远镜所在地——智利拉斯坎帕斯（Las Companas）天文台。我满怀希望，乐观地在北京等着他们的好消息。10月6日清晨，樊晓晖发来一封email，看到第一句话我就感觉整个身体像掉进了冰窖里！“我从来没有这么糟糕的麦哲伦观测经历(my worst Magellan run ever)”。天公不作美，我们两晚的观测时间都遇上了大风、下雨和多云，根本没有机会观测我们的类星体。失望过后，我们只好决定再花气力重新处理8月份双子座望远镜的近红外光谱。

图9 位于智利的6.5米的麦哲伦(Magellan)望远镜（http://obs.carnegiescience.edu/Magellan）

图10 位于夏威夷的美国双子座(Gemini)北天望远镜(来自网页http://www.roe.ac.uk/ roe/support/pr/pressreleases/050826-earthsdestiny/gemininorth.jpg)

10月9日，在美国访问的王飞格发来email，告知麦哲伦望远镜的工作人员尤里•别列茨基（Yuri Beletsky）等在得知我们两晚无法观测的‘悲惨’经历后，已在10月7日利用他们的工程时间(engineering time)为我们的类星体补拍了一小时的近红外光谱。绝处逢生！王飞格、杨锦怡和我在北大的同事王然立即投入到麦哲伦望远镜近红外光谱的数据处理中。经过无数次的讨论和实践，终于在11月初得到了利用麦哲伦望远镜光谱和双子座望远镜光谱合并而成的漂亮的近红外光谱。最后，左文文利用新的近红外光谱更准确地估计出这颗类星体中心黑洞质量为120亿太阳质量。而且，从漂亮的近红外光谱里我们可以清楚地识别出由于从类星体到我们之间存在的宇宙物质所产生的众多吸收线。11月20日，我把全面修改后的文章和对审稿意见的回复一并发给Nature。12月3日，第二次审稿意见回来了，两位审稿人对我们的新光谱和修改稿都很满意，但还有些小问题需要修改，我们很快又作了相应修改。

新年礼物

本来期待着在圣诞节前Nature会发来正式接受我们论文的通知，但西方人圣诞节放假显然比我们想象的早，而且比我们想象的长。2015年1月15日，终于收到Nature的email接收函，上面第一行写的时间竟然是2014年12月29日。虽然姗姗来迟，但对我和我的12个论文合作者来说，这都是最好的新年礼物。同时，这也是给所有热爱和支持天文事业的人们的新年礼物。2015年2月16日(正月初八)，论文正式在Nature登出了。没想到的是，国内外许多新闻媒体对我们发现宇宙早期有最大黑洞的最亮类星体很感兴趣。包括有线新闻网(CNN)、路透社、华盛顿邮报、时代周刊、美国全国广播公司(NBC)、国家地理、发现(Discovery)频道、科学美国人、中央电视台、新华社、人民日报、光明日报、中国日报、联合早报、中国科学报、北京日报、参考消息等在内的主要新闻媒体都把我们的发现作为重要新闻迅速给予了报道。

我们一起经历了不平凡的2014年，这其中有太多不为人知的甘甜痛苦！我特别要感谢我的团队，没有他们，我几乎会寸步难行！感谢我的研究生王飞格、杨锦怡、左文文、杨倩和北大的同事王然研究员。没有他们持续的努力，我们不可能从千万颗星星中选出可靠的高红移类星体候选体。他们在数据处理上所付出的巨大努力远不是论文里写的一小段那么简单。感谢易卫敏、江林华、边福彦、伊恩•麦格理尔（Ian McGreer）、戴维•汤普逊（David Thompson）和尤里•别列茨基（Yuri Beletsky），没有他们在不同望远镜上所做的观测，就不可能有我们的发现。最后，必须要特别感谢一下我的合作者、美国亚利桑那（Arizona）大学的樊晓晖教授，没有他的支持，我们不可能迅速得到这么多国外望远镜的观测时间。没有他的鼓励，我甚至都缺乏信心把我们的论文投给Nature杂志。

图11 我们所发现的红移6.3类星体SDSS J0100+2802是所有高红移类星体中光度和黑洞质量最大的。(图片制作：李兆聿（上海天文台）。背景照片是丽江2.4米望远镜圆顶及其天空，由云南天文台提供)

虽然这是为数不多的利用国内望远镜所作出的重大天文发现，并发表在Nature杂志上，但这并不意味着我们在高红移类星体方面的研究能力就有了实质性的飞跃。我们发现了遥远宇宙中黑洞最大的最明亮类星体，这是对我们以往工作的肯定，但后面还有更多的挑战在等待着我们。我们要真正赶上世界先进水平，还有很长的路要走。不过令人欣慰的是，随着越来越多在海外学有所成的青年才俊陆续回国加入我们的队伍，以及国内热爱天文的后备人才队伍不断成长壮大，中国天文将迎来迅速发展的高峰。国内一系列大型天文设备的建成和中国已加入许多世界天文大设备的建设让我们完全有理由相信，中国跻身于世界天文强国的那一天离我们已不再遥远。不久的将来，由新一代中国天文学家们书写的星空日记将更为精彩！

（责任编辑 张长喜）