他用火箭上的望遠鏡觀測黑洞

導語

X射線天文學還很年輕，目前望遠鏡的有效接收面積只有iPad屏幕那麼大，未來發展空間非常廣闊。

時任英國皇家天文學會主席的費邊在倫敦皮卡迪利街的伯林頓府（Burlington House）。

撰文 | 辛玲

責編 | 李珊珊

劍橋大學的安迪 · 費邊 (Andy Fabian) 是當代最高產、最有影響力的天文學家之一。他既精通觀測又有深厚的理論功底，研究領域從緻密天體到星系中心的超大黑洞，以及作為宇宙最大結構的星系團，在X射線天文學所有領域幾乎都有貢獻。2020年5月他被授予科維理天體物理學獎（Kavli Prize in Astrophysics）並獲得100萬美元的獎金。在與賽先生的訪談中，費邊回顧了童年時代對天文的喜愛，以及自己如何進入X射線天文學，並逐漸將觀測與理論結合起來，從X射線角度為星系、星系團的形成和演化提供系統性的解釋。

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1957年春，當明亮的阿倫-羅蘭彗星划過夜空，九歲的安迪 · 費邊 (Andy Fabian) 在自家後院看得出了神。小小年紀的他已經是個天文迷了。

七歲那年，在一本兒童百科全書裡， 費邊讀到：科學家能用星星發出的光芒來推測其組成成分，這讓他一下子喜歡上了天文學。

費邊的家在英格蘭北安普敦郡的一個村莊。他的父母每天忙於打理家裡的兩爿布料店，全家幾乎吃住都在店裡，費邊從小就養成了閱讀的習慣。他有哮喘病，每個月總有幾天犯病上不了學，在家的時間，他便堅持讀書，尤其是跟科學有關的書籍。

後來費邊考上了公立中學，到離家五英裡的另一個鎮念初中，並終於接觸到了系統的科學知識。一到晚上，費邊就躲在布料店後面的廚房裡搗鼓心愛的電子設備，先是礦石收音機，然後是熱離子管和三極體。他的父母忙於布料生意，對科學完全不感興趣，但他們從不幹涉兒子，任由他動手開展自己的實驗。

15歲那年，費邊決定照著書造一架簡易的牛頓式反射望遠鏡。他買來兩塊1.8米口徑的厚玻璃鏡片，先把其中一塊用瀝青粘在轉臺上，再把另一塊疊放在上面，澆水、金剛砂等，直至通過上下摩擦使上面的鏡片被磨出一個凹度，下面的鏡片被磨出一個凸度。上面的凹透鏡就成瞭望遠鏡的主要部件。

沒有錢買金剛砂，費邊就寫信給金剛砂生產公司索要一點免費的樣品。書上說磨製過程是兩個多小時，結果他磨了整整20個小時，最後還給鏡面鍍上一層薄薄的銀。

「完全照著書弄，也沒有人告訴我到底對不對，」他笑著回憶。用這架自製的望遠鏡，費邊清晰地看到了月球上大大小小的隕石坑，這令他十分興奮。

阿倫-羅蘭彗星接近地球的那一年，蘇聯發射了世界上第一顆人造地球衛星。美蘇太空競賽正式打響。費邊寫信給NASA說自己是個航天迷，希望能定期收到一些學習材料。就這樣，NASA每個月都會給他寄一張海報或者其它東西，他回憶，這些資料，對他今後的事業發展起到了促進作用。

1965年，17歲的費邊在英格蘭蘭開夏郡的傑裡邁亞·霍羅克斯天文臺（Jeremiah Horrocks Observatory）實習。

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18歲，費邊離開家鄉，來到泰晤士河畔的倫敦國王學院物理系學習。本科畢業後，他選擇加入倫敦大學學院下屬、位於倫敦以南50公裡的馬拉德空間科學實驗室 (Mullard Space Science Laboratory)，攻讀空間天文學博士學位。在這個世界頂尖的太空科學實驗室，他最終選定彼得·桑福德 (Peter Sanford) 做他的導師，而桑福德的特長正是研製空間設備，探測來自宇宙的X射線。

X射線與可見光非常不同，它們往往對應著幾千萬度高溫的宇宙結構 (人們當時還不知道這主要是由於物質掉進黑洞而引起的)。在導師的建議下，費邊打算用一枚雲雀 (Skylark) 探空火箭來研究宇宙X射線背景結構，這個項目的申請出奇地順利，僅僅隔了一個聖誕節就獲得了批准。

探測X射線背景並不難，用當時流行的正比計數器就可以直接測出來，但必須剔除宇宙線的影響。桑福德已經從理論上找到了區分二者的方法，費邊要做的是設計出集成電路和實際的電子設備。為此，他惡補了電子學知識，幾個月後就拿出了初樣。初樣測試中又遇到無線電幹擾問題，反覆多次設備才穩定下來。也正是在這段時間，他得以系統地學習天文學和X射線天文學的知識。

降落傘繩索糾纏到一起導致載荷下降過程中摔碎了。第二天，費邊坐著直升機在沙漠裡到處尋找載荷殘骸。所幸數據此前已被遙測設備傳回到地面，沒有丟失。

1971年1月，費邊的「雲雀SL1001」項目在澳大利亞武默拉火箭發射場升空，整個過程的有效探測時間為15分鐘。實驗最後階段出了問題，降落傘繩糾纏到一起，載荷重重地砸向地面，摔得到處都是。第二天，費邊不得不坐著直升機在武默拉的沙漠和酷暑中尋找載荷殘骸，直到強對流導致的顛簸令他反胃不已。碎片沒能都找回，但好在主要的探測數據已及時被遙測設備讀取下來。

1971年1月，「雲雀 SL1001」號探空火箭在澳大利亞南部的伍默拉火箭發射基地順利發射，其上攜帶費邊研發的探測宇宙X射線背景結構的科學儀器。

費邊回到實驗室對探測數據進行了分析，並在《自然·物理科學》(Nature Physical Sciences) 中發表了有生以來的第一篇學術論文。在這篇題為「宇宙X射線背景的火箭觀測」的文章中，費邊和桑福德認為宇宙X射線的背景非常平滑，這說明全天至少有數百萬個X射線源。緊接著他們又設計了另一項探空火箭實驗，並在義大利成功發射，對這一結論進行了確認和擴展。

1972年費邊通過畢業答辯，打算到美國加入X射線研究先驅裡卡多·賈科尼(Riccardo Giacconi) 的團隊。

賈科尼是美國科學工程公司的工程師，早在1962年就利用探空火箭首次發現了宇宙X射線源——天蠍座X-1，為此，他被譽為X射線天文學之父，並於2002年獲得了諾貝爾物理學獎。但天不遂人願，由於籤證原因費邊遲遲無法赴美，一直等到次年，費邊才得知相關項目已被NASA取消，職位亦不復存在。

幾年後，雖然NASA又決定恢復當初的項目，但費邊已決心留在英國。他找到仰慕已久的天體物理學家馬丁·裡斯 (Martin Rees) 做博士後，並追隨裡斯來到劍橋大學天文研究所。在劍橋，費邊初次接觸到與X射線觀測相關的黑洞研究，他的科研生涯從此翻開了新篇章。在劍橋天文研究所，他一呆就是三十多年，1982年他被聘為研究教授，研究興趣也全面轉向了與X射線觀測相關的黑洞、活動星系核和星系團研究。

上世紀九十年代末，費邊在劍橋大學天文研究所的辦公室裡。

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天文學家普遍認為，所有星系（包括銀河系）的中心都存在一個或數個超大質量黑洞。這些黑洞介於百萬至百億個太陽質量之間，它們的巨大引力能將周圍的氣體拉入其掌控範圍，並形成一個薄薄的螺旋軌道，即所謂的 「吸積盤」(accretion discs)。八十年代末，費邊預測黑洞吸積盤X射線光譜中的鐵線將受廣義相對論強引力作用而顯得比較寬，其頻率也會比較低。幾年後，他利用日美「宇宙學和天體物理高新衛星」 (ASCA) 在若干明亮星系的中央位置觀測到了這一現象。他還發現其中隱藏著兩種不同的X射線輻射機制：一種是由吸積盤內的粒子相互碰撞後釋放能量而產生的，另一種是由靠近積極盤的熱電子被彈回宇宙空間而產生的。通過測量這兩種發射之間微小的延時，費邊團隊計算出了黑洞本身的自旋速度。這也是迄今為止應用最廣的超大黑洞自旋的測量方法。

預言並證實了星系中心黑洞周圍的X射線是如何形成的，並由此發展出一種強大的測量黑洞自旋的方法，是費邊對蓬勃發展的X射線天文學所作出的重要貢獻之一。而有了這些工具，他和合作者們還將大量觀測數據與理論相結合，揭示了超大質量黑洞對周圍時空的影響，以及這些黑洞在星系形成與演化中扮演的核心角色。

在黑洞研究早期，超大質量黑洞被認為是一種擺設，與其所在星系關係不大。九十年代末，天文學家發現這些黑洞的質量與星系的質量密切相關：星系包含的恆星越多，中心黑洞的質量也越大。由此他們想到這些黑洞其實可能是其所在星系的 「中央引擎」，主導了星系的演化。費邊在星系團尺度上的研究為這一猜想提供了有力證據。

1999年7月，費邊在卡納維拉爾角即將見證X射線天文學的最新利器——錢德拉望遠鏡（Chandra Observatory）的升空。

通過分析錢德拉衛星拍攝到的英仙座星系團的X射線圖像，費邊認為這些超大質量黑洞很可能通過噴流與吸積盤的相互作用向星系以外的空間轉移能量，使星系之間的氣體溫度升高，無法聚集而形成新的恆星，從而抑制了星系的成長。

「這些不同尺度上的X射線源和輻射過程並不是孤立的，而是通過能量關係相互耦合在一起，這是我過去三十年研究的重點。」

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十多年前，費邊應邀來中國的一個暑期學校講課。他抽空訪問了心儀已久的西安兵馬俑，還在當地某所大學做了一場關於黑洞觀測的講座。諾大的會議廳擠滿了學生，連走廊都站滿了人，費邊被聽眾的熱情深深打動了。講座結束後，學生們圍上來問他怎麼才能學習與黑洞有關的知識。「你可以問問你們學校的教授，」費邊建議。但他隨後被告知由於這是一所「應用型大學,」學校並沒有開設任何天文課程。費邊很驚訝。「中國在天文學教育方面的潛力巨大。」

費邊認為X射線天文學對中國天文學的發展是個很好的突破口。中國有大推力火箭，能發射自己的空間站，一定也能發射大型X射線天文望遠鏡。要知道，缺乏發射能力是許多國家的瓶頸。而且X射線天文學還很年輕，目前望遠鏡的接收面積只有iPad屏幕那麼大，未來發展空間非常廣闊。

「中國正在研製的eXTP（enhanced X-ray Timing and Polarimetry mission, 增強型X射線時變與偏振空間天文臺——作者注）將是中國發展道路上的重要一步，但在eXTP之後我們一定還能製造更大的望遠鏡，關於這點想想現有的光學望遠鏡和射電望遠鏡的大小就知道了。要取得與光學和射電波段相當的成就，X射線波段必須使用更大口徑的望遠鏡。我們完全有理由相信，中國的X射線天文學將在二十到三十年後與歐美齊頭並進。」

費邊對歐空局正在研製的下一代X射線天文望遠鏡「雅典娜」（ATHENA，Advanced Telescope for High-ENergy Astrophysics）寄予厚望。雅典娜將以超越錢德拉和XMM-牛頓望遠鏡至少十倍的光譜和成像能力，望向熾熱劇烈的宇宙深處，描繪熱氣體結構並尋找超大質量黑洞，為理解黑洞如何影響宇宙形成演化提供更多證據。72歲的費邊說:「雅典娜計劃2031年發射，我期盼著它做出重大發現——要是我能活到那會兒的話！」

參考資料：

1. Andrew Fabian (2020). Autobiographies of Andrew Fabian, retrieved on July 30, 2020: http://kavliprize.org/sites/default/files/KP2020astro_fabian_autobiography.pdf

2. Edwin Cartlidge (2020). Astrophysics Prize 2020 Explanatory Notes—Black holes as galactic engines, retrieved on July 30, 2020: http://kavliprize.org/sites/default/files/KP2020astro_notes.pdf

註：文中圖片全部由受訪者提供。