他用火箭上的望远镜观测黑洞-ag凯发真人

 时任英国皇家天文学会主席的费边在伦敦皮卡迪利街的伯林顿府（burlington house）。

撰文 | 辛玲

责编 | 李珊珊

剑桥大学的安迪 · 费边 (andy fabian) 是当代最高产、最有影响力的天文学家之一。他既精通观测又有深厚的理论功底，研究领域从致密天体到星系中心的超大黑洞，以及作为宇宙最大结构的星系团，在x射线天文学所有领域几乎都有贡献。2020年5月他被授予科维理天体物理学奖（kavli prize in astrophysics）并获得100万美元的奖金。在与赛先生的访谈中，费边回顾了童年时代对天文的喜爱，以及自己如何进入x射线天文学，并逐渐将观测与理论结合起来，从x射线角度为星系、星系团的形成和演化提供系统性的解释。

1957年春，当明亮的阿伦-罗兰彗星划过夜空，九岁的安迪 · 费边 (andy fabian) 在自家后院看得出了神。小小年纪的他已经是个天文迷了。

七岁那年，在一本儿童百科全书里， 费边读到：科学家能用星星发出的光芒来推测其组成成分，这让他一下子喜欢上了天文学。

费边的家在英格兰北安普敦郡的一个村庄。他的父母每天忙于打理家里的两爿布料店，全家几乎吃住都在店里，费边从小就养成了阅读的习惯。他有哮喘病，每个月总有几天犯病上不了学，在家的时间，他便坚持读书，尤其是跟科学有关的书籍。

后来费边考上了公立中学，到离家五英里的另一个镇念初中，并终于接触到了系统的科学知识。一到晚上，费边就躲在布料店后面的厨房里捣鼓心爱的电子设备，先是矿石收音机，然后是热离子管和三极管。他的父母忙于布料生意，对科学完全不感兴趣，但他们从不干涉儿子，任由他动手开展自己的实验。

15岁那年，费边决定照着书造一架简易的牛顿式反射望远镜。他买来两块1.8米口径的厚玻璃镜片，先把其中一块用沥青粘在转台上，再把另一块叠放在上面，浇水、金刚砂等，直至通过上下摩擦使上面的镜片被磨出一个凹度，下面的镜片被磨出一个凸度。上面的凹透镜就成了望远镜的主要部件。

没有钱买金刚砂，费边就写信给金刚砂生产公司索要一点免费的样品。书上说磨制过程是两个多小时，结果他磨了整整20个小时，最后还给镜面镀上一层薄薄的银。

“完全照着书弄，也没有人告诉我到底对不对，”他笑着回忆。用这架自制的望远镜，费边清晰地看到了月球上大大小小的陨石坑，这令他十分兴奋。

阿伦-罗兰彗星接近地球的那一年，苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星。美苏太空竞赛正式打响。费边写信给nasa说自己是个航天迷，希望能定期收到一些学习材料。就这样，nasa每个月都会给他寄一张海报或者其它东西，他回忆，这些资料，对他今后的事业发展起到了促进作用。

1965年，17岁的费边在英格兰兰开夏郡的杰里迈亚·霍罗克斯天文台（jeremiah horrocks observatory）实习。

18岁，费边离开家乡，来到泰晤士河畔的伦敦国王学院物理系学习。本科毕业后，他选择加入伦敦大学学院下属、位于伦敦以南50公里的马拉德空间科学实验室 (mullard space science laboratory)，攻读空间天文学博士学位。在这个世界顶尖的太空科学实验室，他最终选定彼得·桑福德 (peter sanford) 做他的导师，而桑福德的特长正是研制空间设备，探测来自宇宙的x射线。

x射线与可见光非常不同，它们往往对应着几千万度高温的宇宙结构 (人们当时还不知道这主要是由于物质掉进黑洞而引起的)。在导师的建议下，费边打算用一枚云雀 (skylark) 探空火箭来研究宇宙x射线背景结构，这个项目的申请出奇地顺利，仅仅隔了一个圣诞节就获得了批准。

探测x射线背景并不难，用当时流行的正比计数器就可以直接测出来，但必须剔除宇宙线的影响。桑福德已经从理论上找到了区分二者的方法，费边要做的是设计出集成电路和实际的电子设备。为此，他恶补了电子学知识，几个月后就拿出了初样。初样测试中又遇到无线电干扰问题，反复多次设备才稳定下来。也正是在这段时间，他得以系统地学习天文学和x射线天文学的知识。

降落伞绳索纠缠到一起导致载荷下降过程中摔碎了。第二天，费边坐着直升机在沙漠里到处寻找载荷残骸。所幸数据此前已被遥测设备传回到地面，没有丢失。

1971年1月，费边的“云雀sl1001”项目在澳大利亚武默拉火箭发射场升空，整个过程的有效探测时间为15分钟。实验最后阶段出了问题，降落伞绳纠缠到一起，载荷重重地砸向地面，摔得到处都是。第二天，费边不得不坐着直升机在武默拉的沙漠和酷暑中寻找载荷残骸，直到强对流导致的颠簸令他反胃不已。碎片没能都找回，但好在主要的探测数据已及时被遥测设备读取下来。

1971年1月，“云雀 sl1001”号探空火箭在澳大利亚南部的伍默拉火箭发射基地顺利发射，其上携带费边研发的探测宇宙x射线背景结构的科学仪器。

费边回到实验室对探测数据进行了分析，并在《自然·物理科学》(nature physical sciences) 中发表了有生以来的第一篇学术论文。在这篇题为“宇宙x射线背景的火箭观测”的文章中，费边和桑福德认为宇宙x射线的背景非常平滑，这说明全天至少有数百万个x射线源。紧接着他们又设计了另一项探空火箭实验，并在意大利成功发射，对这一结论进行了确认和扩展。

1972年费边通过毕业答辩，打算到美国加入x射线研究先驱里卡多·贾科尼 (riccardo giacconi) 的团队。

贾科尼是美国科学工程公司的工程师，早在1962年就利用探空火箭首次发现了宇宙x射线源——天蝎座x-1，为此，他被誉为x射线天文学之父，并于2002年获得了诺贝尔物理学奖。但天不遂人愿，由于签证原因费边迟迟无法赴美，一直等到次年，费边才得知相关项目已被nasa取消，职位亦不复存在。

几年后，虽然nasa又决定恢复当初的项目，但费边已决心留在英国。他找到仰慕已久的天体物理学家马丁·里斯 (martin rees) 做博士后，并追随里斯来到剑桥大学天文研究所。在剑桥，费边初次接触到与x射线观测相关的黑洞研究，他的科研生涯从此翻开了新篇章。在剑桥天文研究所，他一呆就是三十多年，1982年他被聘为研究教授，研究兴趣也全面转向了与x射线观测相关的黑洞、活动星系核和星系团研究。

上世纪九十年代末，费边在剑桥大学天文研究所的办公室里。

天文学家普遍认为，所有星系（包括银河系）的中心都存在一个或数个超大质量黑洞。这些黑洞介于百万至百亿个太阳质量之间，它们的巨大引力能将周围的气体拉入其掌控范围，并形成一个薄薄的螺旋轨道，即所谓的 “吸积盘” (accretion discs)。八十年代末，费边预测黑洞吸积盘x射线光谱中的铁线将受广义相对论强引力作用而显得比较宽，其频率也会比较低。几年后，他利用日美“宇宙学和天体物理高新卫星” (asca) 在若干明亮星系的中央位置观测到了这一现象。他还发现其中隐藏着两种不同的x射线辐射机制：一种是由吸积盘内的粒子相互碰撞后释放能量而产生的，另一种是由靠近积极盘的热电子被弹回宇宙空间而产生的。通过测量这两种发射之间微小的延时，费边团队计算出了黑洞本身的自旋速度。这也是迄今为止应用最广的超大黑洞自旋的测量方法。

预言并证实了星系中心黑洞周围的x射线是如何形成的，并由此发展出一种强大的测量黑洞自旋的方法，是费边对蓬勃发展的x射线天文学所作出的重要贡献之一。而有了这些工具，他和合作者们还将大量观测数据与理论相结合，揭示了超大质量黑洞对周围时空的影响，以及这些黑洞在星系形成与演化中扮演的核心角色。

在黑洞研究早期，超大质量黑洞被认为是一种摆设，与其所在星系关系不大。九十年代末，天文学家发现这些黑洞的质量与星系的质量密切相关：星系包含的恒星越多，中心黑洞的质量也越大。由此他们想到这些黑洞其实可能是其所在星系的 “中央引擎”，主导了星系的演化。费边在星系团尺度上的研究为这一猜想提供了有力证据。

1999年7月，费边在卡纳维拉尔角即将见证x射线天文学的最新利器——钱德拉望远镜（chandra observatory）的升空。

通过分析钱德拉卫星拍摄到的英仙座星系团的x射线图像，费边认为这些超大质量黑洞很可能通过喷流与吸积盘的相互作用向星系以外的空间转移能量，使星系之间的气体温度升高，无法聚集而形成新的恒星，从而抑制了星系的成长。

“这些不同尺度上的x射线源和辐射过程并不是孤立的，而是通过能量关系相互耦合在一起，这是我过去三十年研究的重点。” 

十多年前，费边应邀来中国的一个暑期学校讲课。他抽空访问了心仪已久的西安兵马俑，还在当地某所大学做了一场关于黑洞观测的讲座。诺大的会议厅挤满了学生，连走廊都站满了人，费边被听众的热情深深打动了。讲座结束后，学生们围上来问他怎么才能学习与黑洞有关的知识。“你可以问问你们学校的教授，”费边建议。但他随后被告知由于这是一所“应用型大学,”学校并没有开设任何天文课程。费边很惊讶。“中国在天文学教育方面的潜力巨大。”

费边认为x射线天文学对中国天文学的发展是个很好的突破口。中国有大推力火箭，能发射自己的空间站，一定也能发射大型x射线天文望远镜。要知道，缺乏发射能力是许多国家的瓶颈。而且x射线天文学还很年轻，目前望远镜的接收面积只有ipad屏幕那么大，未来发展空间非常广阔。

“中国正在研制的extp（enhanced x-ray timing and polarimetry mission, 增强型x射线时变与偏振空间天文台——作者注）将是中国发展道路上的重要一步，但在extp之后我们一定还能制造更大的望远镜，关于这点想想现有的光学望远镜和射电望远镜的大小就知道了。要取得与光学和射电波段相当的成就，x射线波段必须使用更大口径的望远镜。我们完全有理由相信，中国的x射线天文学将在二十到三十年后与欧美齐头并进。”

费边对欧空局正在研制的下一代x射线天文望远镜“雅典娜”（athena，advanced telescope for high-energy astrophysics）寄予厚望。雅典娜将以超越钱德拉和xmm-牛顿望远镜至少十倍的光谱和成像能力，望向炽热剧烈的宇宙深处，描绘热气体结构并寻找超大质量黑洞，为理解黑洞如何影响宇宙形成演化提供更多证据。72岁的费边说:“雅典娜计划2031年发射，我期盼着它做出重大发现——要是我能活到那会儿的话！”