《宇宙地圖》：解讀地球的宇宙坐標，解密天文學家的真實工作

你相信宇宙中除了人類之外，還存在其他智慧生命嗎？

儘管目前沒有明確證據證明外星生命的存在，科學家們仍孜孜不倦地尋找外星生命。

1972年3月2日美國宇航局（NASA）發射了一艘非載人太空飛行器，先驅者10號。

這艘太空飛行器不僅是探索木星周圍環境、太陽風、宇宙射線的研究者，還是攜帶了重要信息的「信使」。

先驅者10號上的這封信是鍍金鋁板製成的一塊牌匾，大小為六乘九英寸（15.2乘22.8釐米）。這塊牌匾描繪了一男一女兩個裸體的地球人、太陽系以及太陽在太空中位置的示意圖。

先驅者10號的鍍金鋁製牌匾

此後，美國宇航局發射的先驅者11號、旅行者1號、旅行者2號都攜帶了與地球有關的重要信息，希望外星生命看到這些能聯繫位於地球的人類。

不過，這些傳遞到太空的信息，有一部分已經過時了。因為2014年，科學家們測算出了更精確的、地球在宇宙中的坐標——我們地球位於拉尼亞凱亞超星系團。

天文學家最新發現的拉尼亞凱亞超星系團是我們目前已知的、人類所處的最大的宇宙結構。太陽系甚至銀河系在這個超星系團中都只是滄海一粟。

拉尼亞凱亞超星系團內包含約10萬個星系。

從拉尼亞凱亞的一邊到另一邊的距離約為5億光年。它的中心距離我們有2.5億光年。

拉尼亞凱亞的質量大約是太陽的1017倍，或者是銀河系的10萬倍。

下圖是拉尼亞凱亞的可視化結果。

白色是拉尼亞凱亞的星系；

灰色是屬於其他星系團的星系。

白色的小點表示星系；

紅橙色表示物質密度最高；

藍色到深藍色是巨洞區域。

橙色的線把拉尼亞凱亞超星系團的區域和其他區域分割開來；

橫穿圖中的深色長條表示被我們的星系擋住的看不到的區域。

拉尼亞凱亞的可視化結果

有了這個宇宙新地址之後，我們再向外星人介紹地球時可以說：你好！我來自地球。地球是拉尼亞凱亞超星系團中的銀河系中的太陽系中的一顆行星。

地球宇宙坐標的精準定位歸功於法國天體物理學家——海倫·庫爾圖瓦和她帶領的研究團隊。

不過，地球所處的宇宙位置並非海倫團隊唯一的研究目的，宇宙的全景圖以及吸引眾多星系不斷運動的引力源，都是海倫團隊的研究內容。海倫把這些研究過程都寫進了《宇宙地圖》這本書。法國天文學協會《航空航天》雜誌把《宇宙地圖》評選為「2017年年度最佳天文學圖書」。

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《宇宙地圖》的作者——海倫·庫爾圖瓦

海倫·庫爾圖瓦出生於1970年，是法國天體物理學家、法國騎士學院的院士，也是法蘭西大學學院的高級成員。

2017年，她被美國《名利場》雜誌評選為法國最具影響力的50名人物之一。

2018年，她獲得法國科學影響力獎，並被外交部當選為年度最有影響力的法國科學家。

海倫·庫爾圖瓦

海倫最著名的研究成果是領導並參與了名為拉尼亞凱亞超星系團的發現。這個超星系團的發現耗時20多年。海倫是怎麼走上探索超星系團之路的呢？

1992年，海倫以研究生身份在裡昂天文臺實習時，看到了銀河系之外存在著「上千個巨大的星系，使得天空像是高峰時擁堵的道路一樣」。這段實習經歷開啟了海倫對銀河系外宇宙的興趣。

當時，有些科學家發現：銀河系和它周圍的其他星系，在宇宙中並非靜止不動，而好像被什麼吸引著，以每秒幾百千米的速度不斷移動。這個吸引眾多星系的引力源頭被命名為「巨引源」。但受地球所在位置和觀測手段的限制，當時的科學家無法證實巨引源的存在。

看到關於巨引源的研究之後，23歲的海倫確定了博士研究課題：製作宇宙的動態圖，找到星系移動的相關區域，從而測算出巨引源的位置。海倫的這個決定，讓她為此付出了20多年的努力。2014年9月4日，海倫44歲時，她和團隊的研究成果之一——目前已知的最大的宇宙結構：拉尼亞凱亞超星系團，發表在《自然》雜誌。（拉尼亞凱亞：夏威夷語無盡的天空）這個發現被法國《研究》雜誌評選為「2014年改變世界的十大發現」之一。

《宇宙地圖》中匯集了海倫20多年研究過程中的點點滴滴，不過令我印象深刻的內容卻不是她數十年如一日，攻克了一個個難題，最終完成了年輕時的研究課題（其實是因為看不太懂，微笑臉），而是她描述的天體理物理學家的日常工作。因為海倫記錄的天文學家的真實生活，和科幻電影中呈現的相差甚遠。

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天文家的工作≠一個人的研究

科幻電影中出現過很多天文學家形象。電影《接觸未來》中朱迪·福斯特飾演了一位痴迷於接收外太空信號以尋找外星文明的天文學家。影片的前半段中，她幾乎是一個人「單打獨鬥」地進行著觀測、計算、研究，來證明宇宙中除了人類之外還有其他智慧生命。

電影《接觸未來》截圖

但《宇宙地圖》描述的天文學家的工作卻說明：天文學家無法「孤軍奮戰」取得研究成果。因為宇宙廣袤遼闊，天文學家想找出「放之四海而皆準」的宇宙定律，需要觀測眾多星體並進行海量計算。這些數量巨大的工作，一個人根本無法完成。

海倫和團隊發現拉尼亞凱亞超星系團之前，觀測了覆蓋半徑可達3.5億光年的8000個星系，並計算出了這些星系的運動速度。這些星系的觀測和數據處理工作，還只是整體研究工作的一部分而已。

由於銀河系遮擋了我們的視線，海倫和團隊無法直接觀測銀河系「身後」的宇宙，只能觀測到某些星系的部分數據。為了取得這一區域的星系運動，海倫邀請了希伯來大學的教授耶胡達·霍夫曼加入團隊。他能藉助現有星系的一部分數據，推演出整個星系的運動。

最終讓海量數據成為圖片，直觀地呈現在眾人眼前的是另一位科學家——法國的理論物理學家丹尼爾·波馬雷德。他發明了一種有著100000多行代碼的數據可視化程序，能把大眾看不懂的枯燥數據轉化成清晰、準確的宇宙圖片。

負責處理海量數據建立資料庫，進行數據統一工作的是布蘭特·塔利。在這個四人團隊中，海倫主要負責的是觀測星系並去除無用數據和分析觀測數據。此外，團隊中還有來自世界各地的其他科學家，共計40多人。

團隊主要成員

團隊全體成員

最終我們看到的拉尼亞凱亞超星系團圖片，就是40多人組成的研究團隊協同合作的成果。

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天文學家的工作≠觀測+超級複雜的數學計算

提到天文學家的工作，很多人（我）會覺得天文學家的工作等於，晚上去天文臺用天文望遠鏡觀測星空，白天根據觀測數據進行複雜計算。

科幻電影裡的天文學家幾乎都是這樣的。比如：《星際穿越》中傑西卡·查斯坦飾演的墨菲。她身後複雜的運算公式似乎為了科幻電影裡天文學家出場的標配。

《星際穿越》中的墨菲

但天文學家的真實工作卻沒有這麼「理想化」。因為她們、他們有時候也不得不做一些技術含量不高的繁瑣工作。

海倫在《宇宙地圖》中提到，為了節省觀測時間，同時記錄多個星系的光譜圖，她需要自己製作複雜的觀測「設備」。

首先，海倫需要確定太空中某一區域中80個橢圓星系的定位。

接下來，海倫要把這些星系定位謄寫到一塊透明玻璃板上。

然後，她要給這塊板子每一個星系的對應位置，貼上一塊直徑2毫米的稜鏡，並在星系對應位置再貼上長11米，直徑0.1毫米的光纖。這塊稜鏡能把星系發出的光反射到光纖。光纖會和一個能同時記錄80個星系光譜的儀器相連，記錄星系光譜。

最後，海倫需要把這些光纖和位於望遠鏡下的星系光譜記錄儀相連。

如果你認為海倫只是用膠水粘貼東西，沒什麼麻煩的。你可以試試用膠水做水晶頭飾。把圖片中這些亮閃閃的水晶顆粒粘貼在緞帶上，一點也不容易，或者可以說太麻煩了。因為如果膠水塗多了，膠水會淹沒水晶顆粒；膠水塗少了，水晶顆粒根本粘不住。而海倫要粘貼的稜鏡和光纖都比這些水晶顆粒的直徑小。

所以，海倫幾乎要花上一整個下午，才只能粘貼好一塊板子。而為了在觀測條件良好的晴天能多觀測，海倫通常會提前準備兩塊板子。不過，製作觀測板好像還不是最麻煩的。我感覺，使用這些板子觀測更麻煩。

不信你看，海倫在夜晚觀測時需要做的事情：

要用20到30分鐘調整望遠鏡，抵消地球自轉給觀測星系帶來的位置偏移，確保觀測的星系和望遠鏡處在同一條直線上；

到屋頂看看會不會有高層雲擋住觀測視線；

剛才提到了第二塊觀測要用的玻璃板，這塊板子就是海倫利用夜間觀測的間隙製作的。

還有，海倫需要評估這次觀測獲得的數據是否充足，如果數據夠多，第二天就開啟新區域的觀測；如果數據不夠，第二天還需要繼續。

這還沒完，觀測了一晚上之後，她還需要把這次觀測獲得的原始數據進行初次處理。

這些是23歲時海倫工作的常態。23歲時，她差不過一整年都在澳大利亞做著類似的工作。看完之後，我最大的感受就是：天文學家是一項適合數學好、有耐心、心細手巧的夜貓子的工作。

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天文學家≠隨時可以使用天文望遠鏡

看《宇宙地圖》之前，我一直以為天文望遠鏡是天文學家的基本工作用具，他們想什麼時候用就能什麼時候用。看完《宇宙地圖》之後，我才知道我這個想法太天真了。因為大部分天文望遠鏡對天文學家不是無限制開放的。天文學家申請天文望遠鏡使用權的競爭程度和高考大省的考生考進一流大學一樣激烈。

海倫講述了她申請位於美國西維吉尼亞州的世界最大的全可動射電望遠鏡——100米口徑的綠岸望遠鏡的過程。綠岸望遠鏡每年只有兩次對天文學家開放：一次夏季觀測，一次冬季觀測。天文學家需要提交申請，獲得批准後才能使用。

綠岸望遠鏡

綠岸望遠鏡不僅觀測時間只有兩次，提交使用申請的時間也只有兩次。

天文學家申請時需要「提交一份描述預期科研影響的研究提案，來申請預留相應的觀測時間，並證明能夠最優化利用使用綠岸望遠鏡得到的觀測結果。」由於申請者都是全世界最頂尖科學家，所以競爭異常激烈。由於申請每半年才開放一次。所以一旦申請被拒絕，天文學家們要等上半年才能再次申請，科研項目可能因此推遲一年之久。

幸運的是，海倫團隊的項目獲得了使用權，而且分到了觀測時間比較多的觀測組。也就是說，海倫團隊不是獨享綠岸望遠鏡的使用權，而是和其他科學家一起使用。為了爭取更多的觀測時間，海倫團隊利用其他天文學家無法觀測的時候，比如降雪量大時，開展觀測。而為了節省去天文臺除雪的時間，海倫他們都是挑選受降雪影響最小的觀測對象，以便讓「這個直徑110米、重8500噸的天文望遠鏡」面對並垂直於太陽，不受降雪對觀測的影響。如果不這樣他們還要去天文臺除雪。你能想到天文學家的工作還有除雪嗎？

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《宇宙地圖》讓我們看到了天文學家的真實工作狀態：複雜、繁瑣、辛苦，也讓我們了解到天文工作雖然少不了物理學、數學等學科知識，但更少不了團隊合作和堅持不懈的精神。

海倫和團隊的成就不僅為地球繪製出了宇宙定位，還為我們詮釋了成功=能力+堅持+合作。