武穴籍天體物理學家王曉鋒在浩瀚宇宙浪漫「追星」

科技 05-19

王曉鋒教授在2015年中國天文學會年會上做大會特邀報告

武穴籍天體物理學家王曉鋒在浩瀚宇宙浪漫「追星」

作者帥又龍蒿應洪

5月14日中午，武穴中學校辦收到來自清華大學的一位校友寫給母校的「寄語」：「憶往昔，桃李不言，自有風雨話滄桑；看今朝，厚德載物，更續輝煌譽五洲。感謝您，我的母校武穴中學，給了我知識和力量，承載了我人生的起點，祝福您永鑄輝煌！——您永遠的學生王曉鋒。」

此番「寄語」，是王曉鋒教授啟程法國參加國際學術交流會議前夕，特意為感謝母校武穴中學精心培養所抒發出自己的肺腑之言。王曉鋒1993年從武穴中學畢業，方崇高既是他的班主任又是英語教師。他初中在武穴市實驗中學讀書，班主任陳明道，陳明道老師後來調到武穴中學擔任語文教師。

1993年高考，王曉鋒被北京師範大學天文系提前批錄取，1997年獲得學士學位，同年被保送本校本系天體物理學專業碩博連讀，師從中國著名天文學家李宗偉。 2002年，王曉鋒獲得理學博士學位，2002年8月至2004年10月在中國科學院國家天文台從事博士後研究，2004年11月進入清華大學物理系工作，期間留學訪問法國巴黎高能物理研究所，2006年7月至2009年7月赴美國加州伯克利大學進行博士後研究，2009年8月至2010年6月在美國Texas A&M大學進行訪問研究。2010年6月回國在清華大學物理系任職， 2013年12月被晉陞為清華大學終身教授。王曉鋒教授研究領域涵蓋：超新星爆發物理和前身星；時域天文學；觀測宇宙學；太陽系外行星等等。

作為知名的天體物理學家，王曉鋒教授從事的是超新星及超新星宇宙學研究。他在國際上率先提出了診斷超新星爆發多樣性的方法，顯著提高了用這些爆炸天體探測宇宙膨脹的精度；領導了國際知名的超新星搜尋和觀測項目。在包括Science在內的高水平雜誌上發表60餘篇論文，被國際同行引用2400餘次。他的研究工作在2013年獲得國家傑出青年基金資助，在2014年其研究成果獲評中國天文十大科技進展獎，在2015年獲得中國天文學會的「黃授書」獎。

2016年王曉鋒入選科技部中青年科技創新人才推進計劃，自2015年起擔任中國天文學會恆星專業委員會主任。還是美國天文學會會員和ApJ,AJ,PASJ,MNRAS,RAA評審。

為紀念已故理論天體物理學家黃授書，鼓勵在天文學研究中取得突出成果的年輕天文學家，中國天文學會特設立黃授書獎，每兩年頒發一次，授予在天文學研究中取得突出成果、４０歲以下的中國天文學家。第五屆黃授書獎之所以授予王曉鋒教授，是為表彰其在超新星觀測研究、超新星宇宙學應用以及時域天文學等方面取得了有顯著國際影響力的成果。他系統研究了各類超新星爆發的觀測特徵及前身星性質；提出了用光極大後12天時的(B-V)顏色來定標Ia型超新星亮度的方法；他還領導了國內首個大視場時域天文觀測項目。

也許你會認為超新星是一種星體，也許你會猜測它是宇宙中的一類天體，王曉鋒教授是這樣描述的：超新星是一些類型的恆星演化到晚期產生的極端高能的爆炸現象；也可以把超新星爆發想像為一個炮仗或者煙花，在宇宙空間中爆炸了，並點亮了周圍的空間。他介紹我國古代對超新星爆發現象很早有記載，比如《宋會要》史書中詳細地記載了宋朝在1006年和1054年間發生的客星（實為新爆發的超新星）現象，如爆發時在天空上的位置，亮度以及持續的時間。

超新星爆炸釋放的光度是非常大的，如在幾周內釋放的能量比太陽在100億年間總共釋放的能量還要多。因此即使在離我們很遠的位置爆炸，如在宇宙年齡的1/3-1/4處，我們也能看到它們；並且多數Ia型超新星釋放出來的總能量比較類似。由於Ia超新星的這種特徵，天文學家把超新星當成了一種「標準燭光」，通過這個「蠟燭」在不同距離處的亮度，即可利用物理公式求出它離我們的距離。

恆星演化有幾種結局：質量比較大的恆星（如>8個太陽質量），演化末期最終直接產生核心塌縮爆發，中心形成緻密的中子星或者是黑洞；而像太陽一樣的質量較小的恆星演化結局是把外殼層物質拋掉後，形成白矮星。如果白矮星處於一個孤立的系統，那麼隨著內部核反應的停止而無產生更多的能量供其發光發熱，整個星體將慢慢冷卻；若白矮星有距離很近的伴星，則它會從伴星中吸取物質來不斷增加自身的質量。當質量增加某一個極限值時，即便是緻密的電子氣體也無法阻擋來自星體的巨大引力。星體局部塌縮導致核心溫度升高，中心的物質被點燃並引發一個失控的熱核反應，將整個星體炸掉，此類恆星爆炸被稱為Ia型超新星爆發。由於其在現代宇宙學中扮演了重要的角色，從而其爆發模型本身也成為學術界研究的熱點。

一般的白矮星形成時其質量不足以引發爆炸，它需要吸積伴星物質或者是同另一顆白矮星併合的方式達到爆發的質量極限。這兩種不同的情況意味著Ia型超新星前身星演化至爆發時需要的時間、金屬丰度以及爆發時的星周環境等有著很大的差別。

從30多年前開始，學界提出了各種各樣的伴星模型，但一直沒有一致的結論。比較流行的有兩種：單簡併模型（也稱吸積模型）和雙簡併模型（也稱併合模型）。兩種模型各有各的支持者，但都各執己見，而且都無法用可信的數據證實自己的正確性。因而在利用這些宇宙燭光進行距離測量時並未考慮這些伴星的影響。

其實兩種不同模型的超新星發出的光可能是有區別的，例如單簡併系統產生的可能對應這一個100瓦的燈泡，而雙簡併系統相當於110瓦的燈泡；並且這兩類系統的比例在不同距離處有可能不同。了解這些差異並且進行有效控制對今後的宇宙學研究非常重要。

王曉鋒研究組正是在這一問題的研究上取得了重要突破。首先依據觀測到的超新星譜線特徵對超新星進行了系統的分類，隨後發現這些不同類型的Ia型超新星所處的爆發環境有較大的差異：爆發時譜線向觀測者移動較大的超新星相對移動較小的超新星其前身星具有較多的金屬且顯得更年輕。前者的前身星系統看起來較亮且周圍殘留有恆星演化時丟掉的物質表明它們來自於單簡併模型；而後者的前身星系統看起來較暗且星周較乾淨，表明它們可能來自於雙簡併模型。這一發現首次表明Ia超新星爆發對於利用超新星研究宇宙學有著重大影響，有助於區分不同「標準燭光」，控制樣本偏差，減少由此引入的計算誤差。

回憶起最初有這個課題的想法，王曉鋒教授當時還在美國工作。2008年，當他開展鄰近星系M100中一顆特殊超新星研究時發現它和一般的Ia型超新星性質不同。主要表現該超新星的譜線與正常的超新星相比藍移的速度非常大。後續通過更多的數據分析揭示消光該超新星視線方向的消光與銀河系的塵埃的消光性質不同，消光係數小了一半。

這些引發了王曉鋒的思考：什麼原因造成了這種現象呢？王曉鋒教授當時就推測，可能是這種超新星爆炸時包圍了一層來自前身星演化形成的塵埃。超新星爆炸時產生的光子被囚禁在塵埃層中，光子經過了多次散射才從塵埃殼中出來，因而光子的頻率減小，能量降低，光譜的能量分布發生了改變。這對於單簡併系統是可以解釋的，前身星系統在演化過程中，丟失的物質會形成塵埃殼層。而雙簡併系統中的星體丟失的物質經過長期演化，最終消失在星際空間，因此不會存留明顯的物質殼層。因此可以推測M100中的超新星有可能來自於單簡併的前身星系統。

為了驗證自己的想法，他和他的同事申請了哈勃空間望遠鏡的觀測時間，對爆炸300多天以後的超新星進行了高解析度的成像觀測，發現了一種奇特的現象：超新星已經看不見了，但在原超新星位置周圍有一圈漂亮的光環。而這個光環最有可能就是超新星的光被周圍的塵埃散射折射後延遲幾百天到達觀測者而形成的。這個結果進一步證實了王曉鋒的推測：譜線藍移大的超新星來自於單簡併系統。

但是當時只有這一個樣本，一個特例，無法下結論。2012年，美國伯克力大學以及哈佛大學天體物理中心釋放了一批重要的超新星數據。王曉鋒研究組及時利用了這批數據分析了上百顆超新星光譜的特性，最終發現譜線藍移大的一類超新星起源於金屬含量高且較為年輕的恆星系統，與單簡併的相吻合；而譜線藍移速度較低的則起源於金屬光度較低、年齡稍老的系統，與雙簡併系統比較像。

從猜測，到最終證實，王曉鋒他們整整用了近5年的時間。但是時間的堆積，打下了堅實的基礎，充足的準備以及可靠的推測。再當有相關數據被釋放時，他們能及時利用現有資源，讓這些數字成為他們的觀點的有利佐證。因此可以相信，這次發現偶然中存有必然，是科學研究過程中必然經歷的過程。

困難的出現就是一個新思想的起源。王曉鋒教授認為整個過程中最大的難點在於怎麼找到一個好的辦法去把他們的結論給完美地呈現出來。其實，當時他們對超新星伴星模型的判斷在學術界也慢慢萌芽了，但苦於一直想不到好的辦法證明其合理性。王曉鋒研究組在研究過程中也試了各種辦法，卻沒有成功。

後來，王曉鋒聯想到了自己大學期間做過超新星在星系分布的相關研究，但當時並沒有得到什麼好的結論或者成果，只是用來做練習的。而那些問題讓王教授聯想到可以考慮將超新星和它的爆炸環境聯繫起來，找到了難點的突破口，研究也順勢打開了新思路。

之前，有學者認為所有Ia超新星都來自於同一爆炸模型，而觀察結果的不同是因為觀察的幾何效應造成的。而王曉鋒研究組就通過研究超新星的爆發環境，證明爆炸差異與環境有著非常強的關係，即否定了「同一爆炸模型」的結論，並證實了自己的判斷。

在研究進程中，王曉鋒也遇到過一些質疑聲，但是他沒有被影響，因為他相信自己的工作。比方說2009年提出超新星譜分類研究中提到譜線藍移較大的超新星其顏色看起來較紅，王教授給出的解釋是因為周圍有前身星演化殘留下來的星周塵埃造成的；而美國一位學者就認為結論是錯誤的，他認為看到的紅色是超新星固有特徵，在國際上對王教授的觀點進行壓制。但是王曉鋒並沒有動搖，他還堅持自己，並用更多的證據和巧妙的分析證明了自己的結論。

當文章發表時，國際上反向很大，評價很高。如美國前天文學科主席Craig Wheeler教授在文章發表兩天就寫來郵件說：That is a big deal！；另一位日本東京大學K. Maeda教授原來一直是單簡併系統的忠實支持者，看到王等論文中呈現出來的漂亮結果後，他認為單簡併派和雙簡併派多年的爭論也許可以停止了。

路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。科學之路從來沒有一帆風順的，但好事多磨的卻不乏其人。如果觀察到特殊超新星現象時王曉鋒沒有提出疑問，並進行大膽猜測；如果大學期間王曉鋒沒有那段看似沒什麼成果的練習，或者有過卻沒有進行關聯；如果沒有對問題的堅持關注，或者是對國際數據進行及時利用；如果在質疑聲和困難面前退縮，或者放棄……無論哪一條成為事實，也許這項成果不會這樣呈現出來。但是我們知道沒有如果，我們要做的是走好每一步！「我還要繼續深入這個課題，更加完善我們的這個結論。「王曉鋒教授給我們留下了期待。

每年都有成千上萬的恆星以各種匪夷所思的爆炸結束自己的生命，天文學家想了解導致這些恆星毀滅的真正原因。浩瀚宇宙，奧秘無窮，王曉鋒教授從事的就是這一項神奇的工作，並由此濟身成為國際天文學界一顆耀眼的新星。

王曉鋒，中共黨員，1975年農曆八月初八出生在武穴市梅川鎮王貴村王貴垸。他自小家境貧寒，兄弟姊妹共七人，他排行最小，頭上有四個姐姐和兩個哥哥，大哥王清富畢業於海軍工程大學，二哥王衛東畢業於湖北警察學校，均為國家幹部。幼年時代的王曉鋒命運坎坷，他4歲那年父親病故，其生活、讀書經濟來源主要是依靠母親做點小生意，以及兄長和姐姐們的鼎力資助。最偉大的當屬他的母親，王曉鋒的父親不幸病故後，柔弱的母親不得不咬緊牙關，獨自挑起全家重擔。她依靠在武穴後壩街口擺布頭小攤，賣些邊角料維持一家人的生活，硬是把幾個年幼兒女養育成材。

在武穴中學讀書期間，鑒於王曉鋒家庭困難，學校領導也給予了他學費減免的照顧。可以說，王曉鋒能夠有今天的學業成績和事業成就，其母親和哥哥姐姐的艱辛付出顯然功不可沒，學校老師的辛勤培養自然沒齒難忘。也正是由於這些力量的支撐，才造就了他燦爛的人生，美好的未來，才有著王曉鋒教授寫給武穴中學的這番感人至深的「母校寄語」。

武穴籍天體物理學家王曉鋒在浩瀚宇宙浪漫「追星」