天文學家是怎麼選擇「這顆星星就由我來守護」的？

06-29

天文學家是怎麼決定觀測目標的？

黃崧，Astronomy is life!

天體物理那麼多分支那麼多領域，每個和每個都不大一樣，沒法一概而論……簡單說，跟搞對象差不多吧，什麼奇技淫巧都有，一見鍾情的也有，苦苦等待的也有，坐在海濱浴場看波濤洶湧的也有

非常不科學地說可以分成幾類（我自己是做星系的，所以舉的例子都比較偏向自己熟悉的領域，見諒）：

1.愛你一萬年型：有些是因為沒得挑，你讓研究太陽物理的同學挑什麼……研究行星到地質學層次上的，太陽系裡就那麼幾顆，銀河系裡面也只有一個超大質量黑洞。宏觀尺度上研究宇宙學，比如微波背景輻射的也可以算這一類吧；還有的是因為某些天體一朝成名，已經成為業內標杆。銀河系裡的著名恆星形成區，超新星遺迹，那幾個著名的恆星級別黑洞候選，等等；獵戶星雲之於恆星形成區，M82 之於近鄰星暴星系，Arp220 之於近鄰更星暴的星系，室女和后髮星系團之于于大質量星系團研究，都是超級明星般的存在。如果在相關領域裡有了什麼好玩的想法，或者出現新的觀測手段，肯定先找這些傢伙看看。舉個例子，耶魯大學的 Pieter van Dokkum 教授和多倫多大學的 Robert Abraham 教授開發了新的照相機陣列用於超長時間的深場曝光，想找一個星系團觀測，自然首先想到了后髮星系團（Coma），結果發現了很多意想不到的的暗弱矮星系。

2.窩邊草最好吃型：和上一類有重疊，不過沒得選更多的是因為身邊只有這些目標了。銀河系也好，M31 也好，大小麥哲倫星雲（系）也好，都未必是最有意思的星系。但如果你研究星系裡面恆星，氣體等等演化到了有必要能分辨開一顆一顆恆星，看清一塊塊恆星形成區為止，他們就是離得最近的。其他很多領域裡也有類似的情況，我要解決的問題必須需要足夠的空間解析度等條件，在現有觀測技術下，只有這些天體符合要求，那就來吧。不過，並不是說窩邊草就不好吃，鄰家大哥或者小妹也可以很可愛的：比如 M31，研究一輩子的大有人在。

3.守株待兔型：（本來想叫天亮說分手型的，後來覺得影響不好，你懂的……）暫現天體（Transiant）現在不要太熱門。在天體物理的語境下，幾乎所有波段，所有領域裡的暫現源都意味著有趣的物理過程。無論是超新星，災變變星，恆星微引力透鏡現象，伽馬射線暴，快速射電暴等等，甚至可以說太陽物理觀測里的耀斑爆發和日冕物質拋射也屬於這類。這些領域的觀測沒什麼好說的，有了合適的儀器，持之以恆的觀測，耐心等著運氣到了上門就是了。這方面，人類的運氣還是不錯的，1987A 爆發碰巧很快被業餘愛好者發現並報告，正好超神岡在工作；前陣子的引力波源也是，LIGO 升級開機沒幾天就撞上了。這類觀測在未來有著非常好的前景，隨著觀測的進步，天文觀測的時間分辨能力在不斷提高，很多我們之前沒有想到的現象紛紛出現；即便是對於天文學家從未失去興趣的超新星，也有越來越多有趣的新發現被這種守株待兔的觀測抓到。

4.眾里尋她（他）千百度型：有些科學家根據前人的觀測以及理論的預測明確的指出了某類天體或者現象的存在，但是暫時還沒有觀測到，或者沒有積累足夠的證據。怎麼辦，大海撈針慢慢找吧；高紅移類星體，強引力透鏡天體，亞毫米波星系，宇宙中第一代星系，宇宙中第一代恆星，等等等等。。。都經歷了，或者還在經歷著這樣的過程。以類星體為例，幾代天文學家通過不斷嘗試各種篩選手段，不斷更新儀器，不斷向著宇宙深處苦苦尋找。當然，現在我們發現，其實最好的選擇就是不要選擇（嗯，選擇效應或者選擇偏差可是嚴肅的數據處理問題）。應該說從 Palomar 巡天開始，到 2MASS，到 CfA 紅移巡天，到一系列成功的高能，紅外衛星，再到改變了天體物理面貌的 SDSS，走的都是這條路。儘可能多的在儀器允許範圍內獲得更多的數據，再慢慢篩選研究；滄海一粟，我把海淘幹了也就找到了吧？同時，比尋找稀有天體更重要的，這樣的巡天觀測可以說徹底改變了天體物理研究和教育的方式；SDSS 巡天幾乎可以說定義了現代天文巡天的工作模式，所有的數據在一段時間的分析後都會對所有同行和全社會發布：輕點滑鼠，宇宙就在你眼前。正式因為這些巡天數據的出現，也讓下面一種類型的目標挑選方式成為了可能。

5.世紀佳緣搜一搜型：很多情況下，根據科學選題和目標，結合已有的觀測數據和理論預測，天文學家可以清晰地描繪出自己理想的「對象」（身高 160 公分以上，不要太胖，也別太瘦，年齡合法…之類的)；既然上一個類型的巡天觀測其實已經幫我們建立了豐富的資料庫（簡稱相親網站），那麼我們就搜一搜好了。天體物理問題往往需要依賴統計證據，所以天文學家都比較博愛，經常會把所有符合標準的都挑出來，美其名曰「樣本」；有的時候為了物理上的嚴謹，還會定義一個對照樣本（身高體重相同的 18 歲青年，究竟是男孩子更可愛還是女孩子更可耐呢？那麼我們最好對比一下）。就像實際生活里的世紀佳緣一樣，聽上去確實不如一見鍾情浪漫，不如守株待兔刺激，但是，往往解決實際問題；以星系演化為例，SDSS 巡天提供給我的百萬個星系儘管每個看上去都不如 M31 好看，但是在裡面挑選出的各種不同類型的樣本帶給了我們一幅更生動的星系演化物理圖像。

6.坐看波濤洶湧型：我快編不下去了……這個《清華夜話》梗還有人知道嗎？和上面的類似，很多天體物理研究都需要大樣本統計，但是這一類型的人修鍊得更好。坐在夏天的海濱浴場，你看到一個一個美麗的姑娘，壯碩的小伙，他們眼裡只有波濤洶湧。一般來說，觀測宇宙學家屬於這類高（bian）人（tai）。為了利用弱引力透鏡或者相關函數研究大尺度結構，他們需要儘可能大的樣本；對弱引力透鏡，他們需要比要研究的紅移距離更遠的所有星系的形狀測量和這些天體的紅移分布；而很多相關函數研究只需要知道天體所在的紅移和光度，以及一些相對粗略的統計分類就可以了。未來的 LSST, WFIRST, DESI, PFS 巡天都是這些科學家主要覬覦的觀測。

7.你看我的充氣娃娃多逼真型：僅以此類型獻給我們奮戰在數值模擬領域上的同行們。

這篇有些開玩笑，也別太當真。基本上，當你進入了一個領域，有了足夠的積累，不是有了科學想法，主動的尋找目標，就是通過觀測看到了感興趣的天體。

Luyao Zou，光譜學/物理化學/文理疊加態

@黃崧博士把各種情況總結得都很好了。我這裡補充一點自己了解過的天文台的運作方式。儘管每個領域可能都有一些明星天體屬於必觀測的，但對於每一個天文台或者空間望遠鏡項目來說，什麼時候觀測，觀測哪一個天體，用什麼波段和觀測參數，由誰來觀測，都是需要事先周密安排的（暫現天體另說）。

我主要接觸的是射電天文台的工作流程，但是流程應該也具有普適性。一般來說，大型天文台每年都會有觀測周期，叫做一個 cycle，大概通常是半年或一年。通常，在周期開始半年之前，天文台早早的就會向學術共同體發起邀請，叫做 call for proposal，邀請學界的項目負責人（PI）來申請新的觀測項目。在 call for proposal 邀請發出的時候，天文台會發布下一個觀測周期之中，接受哪幾種類型的觀測項目，各分配多少觀測時間，哪些設備可供使用，誰有優先權，以及遞交申請材料和評估的各項事務的時間表。

第一關：申請人資格。誰有資格申請天文台的觀測，要看這個天文台的政策。通常，天文台都會開放兩類時間。第一類是專供投資建設天文台的國家或者盟國使用的。誰出錢誰用嘛，天經地義的事情。第二類是開放給全世界學術共同體的，叫 open time。

第二關：準備申請材料。這是最耗精力的環節。作為一個 PI，想申請一個觀測項目，必須要考慮這個項目的科學價值和技術方案。這個觀測在科學性上有沒有意義和創新之處？為了達到這個觀測目的，需要使用世界上哪一個天文台，使用哪些觀測參數，觀測多久。這些都是 PI 需要在撰寫項目申請書的時候需要回答的問題。這個過程中，除了想清楚自己的科學研究價值之外，PI 也需要花費大量的精力去學習想申請的天文台的各項技術指標，並自行計算自己所需要的合理觀測參數。

第三關：撰寫並遞交申請材料。確定好自己的方案之後，就需要按照天文台給出的格式和內容要求，撰寫 proposal。有一些天文台有自己專門的平台和軟體來遞交申請，比如 ALMA。如果你以前沒有用過，還要花時間去熟悉這個軟體平台。

第四關：評審。天文台通常會組織領域內的專家組成評審團，對所有遞交上來的項目申請書做評審。標準總得來講就是看：科學價值和原創性，項目書的規範和明晰程度，以及技術上與天文台的匹配度。有一些情況，比如重複申請了以前用相同的參數已經觀測過的天體，項目書寫得一團糟，不能說服評委科學上的重要性，或者提出的觀測技術要求天文台無法滿足：這些情況肯定是通不過的。不過是人的評審就也一定會存在一些集體的偏好，尤其是現在紅的發紫的 ALMA，作為全球解析度最高的射電望遠鏡陣列，誰都想用，項目書實在是太多了，根本排不過來。這個時候，有些 PI 項目書儘管寫得很好，可能其領域沒有那麼受到重視，運氣不好，也會輪不到。那就等下一個周期繼續申請啦。

第五關：觀測。如果評審過了，通常就意味著你得到時間觀測啦！大型天文台都有專門的技術人員負責觀測任務，學者有時也會去天文台和技術人員一起觀測，方便交流。具體的觀測時間，也要視實時天氣狀況而定。