近日，由國(guó)家天文科學(xué)數(shù)據(jù)中心基于真實(shí)天文科學(xué)數(shù)據(jù)策劃并實(shí)施的“引力透鏡搜尋公眾科學(xué)項(xiàng)目”正式啟動(dòng)。
光線經(jīng)過(guò)大質(zhì)量天體時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲，產(chǎn)生類似透鏡成像效果的“引力透鏡效應(yīng)”。強(qiáng)引力透鏡為天文觀測(cè)提供了一扇獨(dú)特的窗口，科學(xué)家可以用它研究宇宙物質(zhì)分布、宇宙學(xué)常數(shù)、檢驗(yàn)引力理論等。隨著觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，海量天文數(shù)據(jù)提供的星系樣本中，預(yù)計(jì)可以找到數(shù)千個(gè)強(qiáng)引力透鏡系統(tǒng)，下一代大視場(chǎng)巡天中，甚至可以找到數(shù)以十萬(wàn)計(jì)的強(qiáng)引力透鏡系統(tǒng)。在浩瀚星辰大海樣本中找到這些引力透鏡是項(xiàng)艱巨挑戰(zhàn)，因此，天文學(xué)家向公眾發(fā)出邀請(qǐng)，希望更多的人參與這項(xiàng)工作。
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引力透鏡是什么？參與引力透鏡搜尋需要哪些條件？公眾如何參與該項(xiàng)目？為此《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪了國(guó)家天文臺(tái)研究員、巡天空間望遠(yuǎn)鏡科學(xué)數(shù)據(jù)系統(tǒng)研制項(xiàng)目技術(shù)總協(xié)調(diào)李楠。
《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：什么是引力透鏡？引力透鏡研究有什么科學(xué)目標(biāo)？
李楠：根據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，光線在經(jīng)過(guò)大質(zhì)量天體時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲現(xiàn)象。當(dāng)背景天體發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)前景天體時(shí)，會(huì)受到前景天體引力場(chǎng)的作用而發(fā)生會(huì)聚，產(chǎn)生類似于透鏡成像的效果，這被稱為“引力透鏡效應(yīng)”。如果背景源天體和前景透鏡天體在天球上的投影位置非?？拷乙曄蚓嚯x滿足一定要求，那么背景源天體將被透鏡天體拖拽成多像甚至環(huán)狀結(jié)構(gòu)，這種視覺(jué)可見(jiàn)的引力透鏡現(xiàn)象被稱作“強(qiáng)引力透鏡”。
引力透鏡研究包括兩部分內(nèi)容，一是對(duì)前景透鏡天體的研究。經(jīng)過(guò)前景天體的光線發(fā)生彎曲時(shí)，可以根據(jù)源天體被引力透鏡作用后圖像的大小和形狀特征，研究前景天體的物質(zhì)分布和性質(zhì)；二是對(duì)背景源天體的研究，因?yàn)橥哥R天體相當(dāng)于一個(gè)巨大的“宇宙望遠(yuǎn)鏡”，可以將源天體放大，從而幫助我們研究遙遠(yuǎn)天體的精細(xì)結(jié)構(gòu)，而這些精細(xì)結(jié)構(gòu)沒(méi)有引力透鏡效應(yīng)是無(wú)法被有效分辨的。
一個(gè)有趣的例子是把太陽(yáng)當(dāng)做引力透鏡，用太陽(yáng)的引力場(chǎng)來(lái)放大目標(biāo)源天體，從而研究源天體的精細(xì)結(jié)構(gòu)。但要實(shí)現(xiàn)此類研究需要根據(jù)源天體與太陽(yáng)的相對(duì)位置，計(jì)算整個(gè)引力透鏡系統(tǒng)的焦點(diǎn)位置（光經(jīng)過(guò)引力透鏡時(shí)，不同部位的偏轉(zhuǎn)角不同，導(dǎo)致焦點(diǎn)隨背景天體距離和位置不同而不同），然后在焦點(diǎn)處放置一個(gè)接收器來(lái)接收來(lái)自源天體且被太陽(yáng)放大的信號(hào)。但“太陽(yáng)透鏡”的焦點(diǎn)位置離地球非常遙遠(yuǎn)，人類目前的技術(shù)水平短期內(nèi)到達(dá)十分困難。前段時(shí)間，國(guó)外科學(xué)家發(fā)表一篇“用太陽(yáng)做放大鏡觀測(cè)比鄰星附近一顆行星”的論文做過(guò)粗略計(jì)算，如果想用“太陽(yáng)引力望遠(yuǎn)鏡”觀測(cè)距離地球4.24光年的地外行星，接收器須放在離太陽(yáng)1200個(gè)AU（日地距離）的地方。所以，用引力透鏡當(dāng)“宇宙望遠(yuǎn)鏡”觀測(cè)指定天體目前還處于理論研究階段。
但星系尺度的強(qiáng)引力透鏡系統(tǒng)研究透鏡天體和源天體的性質(zhì)目前比較成熟。進(jìn)行相關(guān)研究首先要找到此類系統(tǒng)，而宇宙中強(qiáng)引力透鏡系統(tǒng)相對(duì)稀少，尋找10萬(wàn)個(gè)星系，才能找到幾十個(gè)。如果全靠天文學(xué)家去找，將是一個(gè)非常緩慢的過(guò)程。因此，天文學(xué)家要把數(shù)據(jù)分發(fā)給公眾，依靠大家的力量，在海量天文數(shù)據(jù)中先把它先“挖”出來(lái)。
《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：公眾參與該項(xiàng)目，需要具備怎樣的知識(shí)或技能。
李楠：參與引力透鏡搜尋公眾科學(xué)項(xiàng)目沒(méi)有特別的專業(yè)知識(shí)要求，中學(xué)生、天文愛(ài)好者都可勝任，甚至可以說(shuō)“人人皆可參與”。
強(qiáng)引力透鏡搜索主要依靠形狀來(lái)辨別，只要知道它長(zhǎng)什么樣子（弧狀或環(huán)狀結(jié)構(gòu)）就可以去搜尋。同時(shí)，我們還可以借助背景天體和前景天體的顏色差異來(lái)進(jìn)一步確認(rèn)引力透鏡系統(tǒng)，這需要參與者對(duì)強(qiáng)引力透鏡圖像性質(zhì)有基本的認(rèn)知。
具備一定天文知識(shí)，知道引力透鏡是什么，可以更準(zhǔn)確、高效地辨識(shí)強(qiáng)引力透鏡系統(tǒng)。如果完全不了解引力透鏡的基本原理，只從圖像特征出發(fā)，也能找到強(qiáng)引力透鏡系統(tǒng)，不過(guò)有時(shí)會(huì)把一些類似結(jié)構(gòu)，如環(huán)形星系誤判為引力透鏡。
《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：目前人們發(fā)現(xiàn)了多少引力透鏡系統(tǒng)。應(yīng)用這種透鏡系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了哪些天文現(xiàn)象。
李楠：目前已經(jīng)確認(rèn)發(fā)現(xiàn)的引力透鏡系統(tǒng)有幾百個(gè)。天文學(xué)家用引力透鏡進(jìn)行了一些星系內(nèi)部暗物質(zhì)分布研究，包括暗物質(zhì)本質(zhì)以及暗物質(zhì)和重子物質(zhì)的相互作用，還有應(yīng)用時(shí)域信息測(cè)量哈勃常數(shù)（宇宙學(xué)模型中一個(gè)基本常數(shù)）等研究。
《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：我國(guó)載人航天工程巡天空間望遠(yuǎn)鏡（CSST）預(yù)計(jì)明年發(fā)射升空，屆時(shí)會(huì)對(duì)天文數(shù)據(jù)帶來(lái)怎樣的影響。
李楠：CSST是未來(lái)10年國(guó)際天文領(lǐng)域旗艦級(jí)的設(shè)備之一，投入運(yùn)行后，預(yù)計(jì)10年總數(shù)據(jù)量可達(dá)60PB，大約對(duì)應(yīng)上百億天體，這將帶領(lǐng)中國(guó)天文步入大數(shù)據(jù)天文學(xué)時(shí)代。如此大的數(shù)據(jù)量給科學(xué)家和公眾提供了充足的研究對(duì)象，屆時(shí)我們將把這些圖像“切”成若干小塊，分給參與者，讓大眾通過(guò)查看高質(zhì)量空間天文數(shù)據(jù)參與天文學(xué)研究。目前的強(qiáng)引力透鏡查找項(xiàng)目也是為CSST項(xiàng)目做些準(zhǔn)備和培育工作，先把平臺(tái)搭起來(lái)，用當(dāng)前的數(shù)據(jù)培養(yǎng)一批用戶，當(dāng)CSST數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)海量空間天文數(shù)據(jù)和公眾的無(wú)縫連接。
《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：后續(xù)我們還有哪些公眾參與科學(xué)的計(jì)劃。
李楠：除了引力透鏡，后續(xù)還有星系形態(tài)分類（區(qū)分出旋渦星系、橢圓星系、不規(guī)則星系等），時(shí)域信息研究，超新星尋找等。
其實(shí)公眾科學(xué)項(xiàng)目國(guó)外起步較早，10年前國(guó)際上就有星系形態(tài)分類公眾參與科學(xué)項(xiàng)目，目前較成熟的有星系動(dòng)物園（www.galaxyzoo.org）、引力透鏡查找（www.spacewarps.org）、行星獵人項(xiàng)目等。而且，國(guó)外一步步把各種公共科學(xué)項(xiàng)目綜合起來(lái)，構(gòu)建一個(gè)大平臺(tái)。比如，宇宙動(dòng)物園公民科學(xué)計(jì)劃（Zooniverse.org）把生物學(xué)、海洋學(xué)甚至莎士比亞手稿辨別等內(nèi)容都放進(jìn)來(lái)了。
國(guó)內(nèi)這方面的科學(xué)項(xiàng)目剛開(kāi)始，但我們的優(yōu)勢(shì)是網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施好，高質(zhì)量用戶多，所以追趕起來(lái)會(huì)很快。從硬件條件來(lái)說(shuō)，用戶有個(gè)人電腦就可以參與，目前我們正在開(kāi)發(fā)小程序，屆時(shí)有手機(jī)就能參與其中。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1093/mnras/stac2130
https://doi.org/10.48550/arXiv.2204.04866
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