业余天文学家如何才能作出成就？

作者：王善钦（南京大学，加州大学伯克利分校）

编辑：明天

随着科学研究越来越向专业化发展，业余科学家为学科发展做出重要贡献的可能性正在日益减小。然而，正如著名生物学家巴斯德所说，“机遇偏爱有准备的头脑”，即使在今天，一些训练有素的业余科学家依然能够从科研的淘金浪潮中获得“黄金”。最近的两个例子，是不久前刚刚发表在Nature（《自然》）[1]与《科学进展》（Science advance）[2] 上的两篇论文。两篇论文的作者团队中都有业余科学家的参与，这些业余科学家如何做出重要科研成果，并在专业期刊甚至顶级期刊上发表论文的呢？

锁匠与年轻的超新星

Victor Buso是一名锁匠，住在阿根廷第三大城市罗萨里奥（Rosario）。2016年9月20日夜，在自己的小天文台里，Buso想要检测一个用来搭配41厘米直径望远镜的数码相机的性能。他将望远镜对准了头顶上方的一个距离地球8600万光年，叫做NGC 613的星系，用一次出40张照片、每张照片曝光20秒的模式开始拍照。一开始，没发现什么问题，但大约一个小时后，他的照片里出现了一个超新星。

在观测到超新星后，兴奋的Buso在自己的天文台里和自己的望远镜合影。图片来源：Buso

根据经验，Buso认定这是一颗非常年轻的超新星。兴奋的Buso在自己的天文台里和自己的望远镜合了影，并让朋友Sebastian Otero帮忙，在网上公布了这个发现[3]。

Buso拍下的超新星（图中红圈圈出的黑点）及其所在的星系的照片。来源：参考文献[1]

Buso公布的发现引起了职业天文学家的兴趣，并迅速获得了响应。不到一天，多个研究小组的望远镜就开始了对这个后来被命名为“SN 2016gkg”的超新星的持续观测。此后的理论研究认定，Buso 拍下的是一颗爆发后不到3小时的超新星[4,5]。

观测到这么早的超新星意味着什么？

超新星的理论研究认为：超新星爆发后发出强烈的激波冒出超新星表面时，会产生强烈的“激波突破辐射”，以X射线和紫外线为主，也包含持续几个小时的可见光；接着，被激波烧热的表面会冷却，发出可以持续几天“冷却辐射”；最后，放射性物质就像老式火锅中心可以将水煮沸的炭块一样，持续加热整个超新星，可以使辐射持续几百天。

Arcavi等人[4]和Piro等人[5]取了Buso在网上公布的一两个数据，认为这是上面提到的“冷却辐射”。然而，阿根廷的职业天文学家Melina C. Bersten联系上了“老乡”Buso，拿到了全部的早期数据。处理、分析数据之后，Bersten提出：这不是“冷却辐射”，而是更早的“激波突破辐射”，因为只有后者可以解释那么迅猛的上升。Bersten的分析使得这个发现的重要性提升了好几个等级——此前被发现的“冷却辐射”有很多例，但被确认为“激波突破辐射”的却只有少数几例，且以X射线或紫外线为主，而这次很可能是首次观测到可见光形式的激波突破辐射。Bersten 用理论解释了全部数据，在2018年2月22日的《自然》（Nature）杂志上发表了论文[1]。这篇论文中，提供完整早期数据的Buso理所当然也是作者之一。

理论曲线中存在三个“峰”，第一个峰来自“激波突破（shock breakout）辐射”，第二个峰来自此后的冷却（post-shock cooling）辐射，第三个峰来自放射性元素加热（radioactive heating）产生的辐射。图片来源：参考文献[1]

业余天文爱好者“联盟”与奇特的脉冲星

与Buso这种单独干活的个体户不同，“Einstein@Home”（可以翻译为“在家里的爱因斯坦”或者“爱因斯坦在我家”）网站代表了业余天文学家参与天文研究的另外一种模式：它采用大规模联网来招募全世界的业余天文爱好者当志愿者，人数多达四五十万，来自200多个国家。Einstein@Home的志愿者们分析来自各类望远镜的海量数据，并将分析结果反馈给职业科学家。

Einstein@Home的联网界面的屏保截图。图片来源：参考文献[6]

2016年，Einstein@Home的志愿者从Fermi卫星过去五年多时间里获得伽玛射线数据中，确认出了17个伽玛射线脉冲星，其中13个是此前未被确认出来的新的伽马射线脉冲星。

与Buso类似的是，Einstein@Home的志愿者在发现新的脉冲星之后，也将相关数据交给了职业科学家处理。Colin J. Clark 在得到数据之后，先给出完整的分析[7]，然后又发现其中的两颗——PSR J10356720与PSR J17447619——是此前从未被发现的不发射“射电（无线电）”信号、只发射伽玛射线的年老脉冲星[2]。这些年老脉冲星只需要几毫秒（1毫秒等于1千分之1秒）就可以绕自己旋转一周（作为对比，地球要24小时才可以绕自己旋转一周）。它们因此被称为“射电宁静伽玛射线毫秒脉冲星”。

Clark等人用更敏锐的方法做了进一步分析，探测到了其中一颗脉冲星发出的微弱射电辐射，而另一颗依然没有探测到射电辐射。此前已经观测到很多射电宁静的慢脉冲星（年轻脉冲星），但从未发现射电宁静的毫秒脉冲星（年老脉冲星），这次的研究实现了这方面零的突破。未来，这些方法可以用来搜寻其他射电宁静毫秒脉冲星[8]。

Clark和Einstein@Home合作取得的成功，以封面故事的形式，发表在了2018年2月28日出版的《科学进展》上。杂志的封面图描绘的是脉冲星吞食伴星物质、发出辐射的艺术想象图。图片来源：NASA | Dana Berry/Skyworks

这也不是Einstein@Home的业余参与者第一次搞出大新闻了。早在2008年，信息技术工程师Chris Colvin、Helen Colvin 与系统分析师Daniel Gebhardtzai 使用Einstein@Home，在阿雷西博望远镜2017年2月的数据中就发现了一个奇特的脉冲星。职业天文学家们分析后，发现这个脉冲星来自一个被拆散的双星系统，相关的成果发表在2010年的一期《科学》（Science）杂志[9]。

至今为止，以Einstein@Home为基础的论文共有23篇。

业余天文学家如何做出公认的成果？

业余天文学家中不乏杰出人才，甚至是大师。著名的天文学大师、天王星的发现者威廉·赫歇尔就曾经是一个业余天文学家。曾经有一段时间，每年发现的超新星中有一半以上是业余天文爱好者发现的。即使在职业天文学家启动大规模超新星巡天，发现了大部分超新星的近几年，依然有一些超新星是业余天文学家发现的。Buso就是其中最幸运的几个之一。

然而，即便是Buso这样幸运儿，只靠自己，也很难做出真正的科学成就。上面的两项研究都是业余天文学家和职业天文学家密切合作的成果。这样的案例，对于我们思考“业余天文学家如何如何做出公认的成果”这个问题是富有启发意义的。

首先，科学研究本身虽然不区分身份，只看重研究者的研究方法、研究结果和评审方式。不过，研究过程中，一定要遵循科学精神、践行科学的研究方法，获得的结果也需经过同行的评审后，才有望成为真正的科研成果。

其次，提高自身的水平，也是与职业科学家合作、赢得科学共同体认可的基本要素。即使是天文学这样一个好像拿着望远镜就可以获得成功的学科，接受专业的训练也是获得成果的基础。掌握重要的观测技巧、学会数据处理的方法，都是一个业余爱好者通向成功的重要途径。只有尽可能掌握专业人员所拥有的技能，才可以有效地缩小与专业人员之间的差距，进而与他们“平起平坐”。

第三，业余科学家的一些发现，也常常需要职业科学家进行深入发掘。以Buso为例，他获得了早期的数据，但却是职业科学家凭借理论方面的功底，将其解释为“激波突破辐射”，这才显现出了这个发现的重要意义。反过来，职业科学家不以出身论英雄，尊重科学自身，主动邀请业余爱好者（如Einstein@Home的负责人们和邀请Buso合作的那些职业天文学家们）合作，也是获得一些重要成果的关键性因素。在论文[1]的研究过程中负责提供晚期数据的小组的负责人Alex Filippenko教授在评价那项合作时说：“这是业余天文学家与职业天文学家合作的一个杰出的例子。(This is an outstanding example of a partnership between amateur and professional astronomers.)”[10]

不论如何，在天文学这门最古老的学科里，业余爱好者还有很多机会。但是，遵循科学精神、采用正确方法、提高专业技能、与职业天文学家的交流与合作，对于业余天文学家（以及其他学科的业余科学家）而言，才是做出真正科研成果的捷径。最后需要再次强调：无论是职业科学家还是业余科学家，他们的每一项科学研究，最终都要经过同行的评判，获得认可，才算是真正的科研成果。

致谢

本文作者感谢论文[1]作者之一的W. Zheng（郑伟康）博士提供论文[1]的合作小组合作过程的部分信息。

作者名片

排版：晓岚

参考文献：

1.Bersten, M. C., Folatelli, G., García, F., et al. 2018, Nature, 554, 497

2.Clark, C. J. , Pletsch, H. J., Wu, J., et al. 2018, Sci. Adv. 4, 7228

3.http://ooruri.kusastro.kyoto-u.ac.jp/mailarchive/vsnet-alert/20188

4.Arcavi, I., Hosseinzadeh, G., Brown, P. J.., et al. 2017, ApJL, 837, L2

5.Piro, A. L., Muhleisen, M., Arcavi, I., et al. 2017, ApJ, 846, 94

6.https://stuver.blogspot.com/2011/09/q-how-does-einsteinhome-search-for.html

7.Clark, C. J., Wu, J., Pletsch, H. J., et al. 2017, ApJ, 834, 106

8.有些脉冲星不发射射电的原因有：1、它们发出的射电辐射的亮度太低，无法被探测到；或者，2、它们发出的射电辐射始终不朝着地球方向，因此无法被地球上的仪器探测到。

9.Knispel, B., Allen, B., Cordes, J. M.,et al. 2010, Science, 329, 1305

10.https://www.v3.co.uk/v3-uk/news/3027192/scientists-obtain-view-of-burst-of-light-from-supernova-for-the-first-time

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