業餘天文學家如何才能作出成就？

最新 03-23

作者：王善欽（南京大學，加州大學伯克利分校）

編輯：明天

隨著科學研究越來越向專業化發展，業餘科學家為學科發展做出重要貢獻的可能性正在日益減小。然而，正如著名生物學家巴斯德所說，「機遇偏愛有準備的頭腦」，即使在今天，一些訓練有素的業餘科學家依然能夠從科研的淘金浪潮中獲得「黃金」。最近的兩個例子，是不久前剛剛發表在Nature（《自然》）[1]與《科學進展》（Science advance）[2]上的兩篇論文。兩篇論文的作者團隊中都有業餘科學家的參與，這些業餘科學家如何做出重要科研成果，並在專業期刊甚至頂級期刊上發表論文的呢？

鎖匠與年輕的超新星

Victor Buso是一名鎖匠，住在阿根廷第三大城市羅薩里奧（Rosario）。2016年9月20日夜，在自己的小天文台里，Buso想要檢測一個用來搭配41厘米直徑望遠鏡的數碼相機的性能。他將望遠鏡對準了頭頂上方的一個距離地球8600萬光年，叫做NGC 613的星系，用一次出40張照片、每張照片曝光20秒的模式開始拍照。一開始，沒發現什麼問題，但大約一個小時後，他的照片里出現了一個超新星。

在觀測到超新星後，興奮的Buso在自己的天文台里和自己的望遠鏡合影。圖片來源：Buso

根據經驗，Buso認定這是一顆非常年輕的超新星。興奮的Buso在自己的天文台里和自己的望遠鏡合了影，並讓朋友Sebastian Otero幫忙，在網上公布了這個發現[3]。

Buso拍下的超新星（圖中紅圈圈出的黑點）及其所在的星系的照片。來源：參考文獻[1]

Buso公布的發現引起了職業天文學家的興趣，並迅速獲得了響應。不到一天，多個研究小組的望遠鏡就開始了對這個後來被命名為「SN 2016gkg」的超新星的持續觀測。此後的理論研究認定，Buso 拍下的是一顆爆發後不到3小時的超新星[4,5]。

觀測到這麼早的超新星意味著什麼？

超新星的理論研究認為：超新星爆發後發出強烈的激波冒出超新星表面時，會產生強烈的「激波突破輻射」，以X射線和紫外線為主，也包含持續幾個小時的可見光；接著，被激波燒熱的表面會冷卻，發出可以持續幾天「冷卻輻射」；最後，放射性物質就像老式火鍋中心可以將水煮沸的炭塊一樣，持續加熱整個超新星，可以使輻射持續幾百天。

Arcavi等人[4]和Piro等人[5]取了Buso在網上公布的一兩個數據，認為這是上面提到的「冷卻輻射」。然而，阿根廷的職業天文學家Melina C. Bersten聯繫上了「老鄉」Buso，拿到了全部的早期數據。處理、分析數據之後，Bersten提出：這不是「冷卻輻射」，而是更早的「激波突破輻射」，因為只有後者可以解釋那麼迅猛的上升。Bersten的分析使得這個發現的重要性提升了好幾個等級——此前被發現的「冷卻輻射」有很多例，但被確認為「激波突破輻射」的卻只有少數幾例，且以X射線或紫外線為主，而這次很可能是首次觀測到可見光形式的激波突破輻射。Bersten 用理論解釋了全部數據，在2018年2月22日的《自然》（Nature）雜誌上發表了論文[1]。這篇論文中，提供完整早期數據的Buso理所當然也是作者之一。

理論曲線中存在三個「峰」，第一個峰來自「激波突破（shock breakout）輻射」，第二個峰來自此後的冷卻（post-shock cooling）輻射，第三個峰來自放射性元素加熱（radioactive heating）產生的輻射。圖片來源：參考文獻[1]

業餘天文愛好者「聯盟」與奇特的脈衝星

與Buso這種單獨幹活的個體戶不同，「Einstein@Home」（可以翻譯為「在家裡的愛因斯坦」或者「愛因斯坦在我家」）網站代表了業餘天文學家參與天文研究的另外一種模式：它採用大規模聯網來招募全世界的業餘天文愛好者當志願者，人數多達四五十萬，來自200多個國家。Einstein@Home的志願者們分析來自各類望遠鏡的海量數據，並將分析結果反饋給職業科學家。

Einstein@Home的聯網界面的屏保截圖。圖片來源：參考文獻[6]

2016年，Einstein@Home的志願者從Fermi衛星過去五年多時間裡獲得伽瑪射線數據中，確認出了17個伽瑪射線脈衝星，其中13個是此前未被確認出來的新的伽馬射線脈衝星。

與Buso類似的是，Einstein@Home的志願者在發現新的脈衝星之後，也將相關數據交給了職業科學家處理。Colin J. Clark 在得到數據之後，先給出完整的分析[7]，然後又發現其中的兩顆——PSR J1035?6720與PSR J1744?7619——是此前從未被發現的不發射「射電（無線電）」信號、只發射伽瑪射線的年老脈衝星[2]。這些年老脈衝星只需要幾毫秒（1毫秒等於1千分之1秒）就可以繞自己旋轉一周（作為對比，地球要24小時才可以繞自己旋轉一周）。它們因此被稱為「射電寧靜伽瑪射線毫秒脈衝星」。

Clark等人用更敏銳的方法做了進一步分析，探測到了其中一顆脈衝星發出的微弱射電輻射，而另一顆依然沒有探測到射電輻射。此前已經觀測到很多射電寧靜的慢脈衝星（年輕脈衝星），但從未發現射電寧靜的毫秒脈衝星（年老脈衝星），這次的研究實現了這方面零的突破。未來，這些方法可以用來搜尋其他射電寧靜毫秒脈衝星[8]。

Clark和Einstein@Home合作取得的成功，以封面故事的形式，發表在了2018年2月28日出版的《科學進展》上。雜誌的封面圖描繪的是脈衝星吞食伴星物質、發出輻射的藝術想像圖。圖片來源：NASA | Dana Berry/Skyworks

這也不是Einstein@Home的業餘參與者第一次搞出大新聞了。早在2008年，信息技術工程師Chris Colvin、Helen Colvin 與系統分析師Daniel Gebhardtzai 使用Einstein@Home，在阿雷西博望遠鏡2017年2月的數據中就發現了一個奇特的脈衝星。職業天文學家們分析後，發現這個脈衝星來自一個被拆散的雙星系統，相關的成果發表在2010年的一期《科學》（Science）雜誌[9]。

至今為止，以Einstein@Home為基礎的論文共有23篇。

業餘天文學家如何做出公認的成果？

業餘天文學家中不乏傑出人才，甚至是大師。著名的天文學大師、天王星的發現者威廉·赫歇爾就曾經是一個業餘天文學家。曾經有一段時間，每年發現的超新星中有一半以上是業餘天文愛好者發現的。即使在職業天文學家啟動大規模超新星巡天，發現了大部分超新星的近幾年，依然有一些超新星是業餘天文學家發現的。Buso就是其中最幸運的幾個之一。

然而，即便是Buso這樣幸運兒，只靠自己，也很難做出真正的科學成就。上面的兩項研究都是業餘天文學家和職業天文學家密切合作的成果。這樣的案例，對於我們思考「業餘天文學家如何如何做出公認的成果」這個問題是富有啟發意義的。

首先，科學研究本身雖然不區分身份，只看重研究者的研究方法、研究結果和評審方式。不過，研究過程中，一定要遵循科學精神、踐行科學的研究方法，獲得的結果也需經過同行的評審後，才有望成為真正的科研成果。

其次，提高自身的水平，也是與職業科學家合作、贏得科學共同體認可的基本要素。即使是天文學這樣一個好像拿著望遠鏡就可以獲得成功的學科，接受專業的訓練也是獲得成果的基礎。掌握重要的觀測技巧、學會數據處理的方法，都是一個業餘愛好者通向成功的重要途徑。只有儘可能掌握專業人員所擁有的技能，才可以有效地縮小與專業人員之間的差距，進而與他們「平起平坐」。

第三，業餘科學家的一些發現，也常常需要職業科學家進行深入發掘。以Buso為例，他獲得了早期的數據，但卻是職業科學家憑藉理論方面的功底，將其解釋為「激波突破輻射」，這才顯現出了這個發現的重要意義。反過來，職業科學家不以出身論英雄，尊重科學自身，主動邀請業餘愛好者（如Einstein@Home的負責人們和邀請Buso合作的那些職業天文學家們）合作，也是獲得一些重要成果的關鍵性因素。在論文[1]的研究過程中負責提供晚期數據的小組的負責人Alex Filippenko教授在評價那項合作時說：「這是業餘天文學家與職業天文學家合作的一個傑出的例子。(This is an outstanding example of a partnership between amateur and professional astronomers.)」[10]

不論如何，在天文學這門最古老的學科里，業餘愛好者還有很多機會。但是，遵循科學精神、採用正確方法、提高專業技能、與職業天文學家的交流與合作，對於業餘天文學家（以及其他學科的業餘科學家）而言，才是做出真正科研成果的捷徑。最後需要再次強調：無論是職業科學家還是業餘科學家，他們的每一項科學研究，最終都要經過同行的評判，獲得認可，才算是真正的科研成果。

致謝

本文作者感謝論文[1]作者之一的W. Zheng（鄭偉康）博士提供論文[1]的合作小組合作過程的部分信息。