近日，由國家天文科學數(shù)據(jù)中心基于真實天文科學數(shù)據(jù)策劃并實施的“引力透鏡搜尋公眾科學項目”正式啟動。
光線經(jīng)過大質(zhì)量天體時會發(fā)生彎曲，產(chǎn)生類似透鏡成像效果的“引力透鏡效應”。強引力透鏡為天文觀測提供了一扇獨特的窗口，科學家可以用它研究宇宙物質(zhì)分布、宇宙學常數(shù)、檢驗引力理論等。隨著觀測技術的進步，海量天文數(shù)據(jù)提供的星系樣本中，預計可以找到數(shù)千個強引力透鏡系統(tǒng)，下一代大視場巡天中，甚至可以找到數(shù)以十萬計的強引力透鏡系統(tǒng)。在浩瀚星辰大海樣本中找到這些引力透鏡是項艱巨挑戰(zhàn)，因此，天文學家向公眾發(fā)出邀請，希望更多的人參與這項工作。
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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？公眾如何參與該項目？為此《中國科學報》采訪了國家天文臺研究員、巡天空間望遠鏡科學數(shù)據(jù)系統(tǒng)研制項目技術總協(xié)調(diào)李楠。
《中國科學報》：什么是引力透鏡？引力透鏡研究有什么科學目標？
李楠：根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，光線在經(jīng)過大質(zhì)量天體時會發(fā)生彎曲現(xiàn)象。當背景天體發(fā)出的光線經(jīng)過前景天體時，會受到前景天體引力場的作用而發(fā)生會聚，產(chǎn)生類似于透鏡成像的效果，這被稱為“引力透鏡效應”。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?，且視向距離滿足一定要求，那么背景源天體將被透鏡天體拖拽成多像甚至環(huán)狀結構，這種視覺可見的引力透鏡現(xiàn)象被稱作“強引力透鏡”。
引力透鏡研究包括兩部分內(nèi)容，一是對前景透鏡天體的研究。經(jīng)過前景天體的光線發(fā)生彎曲時，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)；二是對背景源天體的研究，因為透鏡天體相當于一個巨大的“宇宙望遠鏡”，可以將源天體放大，從而幫助我們研究遙遠天體的精細結構，而這些精細結構沒有引力透鏡效應是無法被有效分辨的。
一個有趣的例子是把太陽當做引力透鏡，用太陽的引力場來放大目標源天體，從而研究源天體的精細結構。但要實現(xiàn)此類研究需要根據(jù)源天體與太陽的相對位置，計算整個引力透鏡系統(tǒng)的焦點位置（光經(jīng)過引力透鏡時，不同部位的偏轉(zhuǎn)角不同，導致焦點隨背景天體距離和位置不同而不同），然后在焦點處放置一個接收器來接收來自源天體且被太陽放大的信號。但“太陽透鏡”的焦點位置離地球非常遙遠，人類目前的技術水平短期內(nèi)到達十分困難。前段時間，國外科學家發(fā)表一篇“用太陽做放大鏡觀測比鄰星附近一顆行星”的論文做過粗略計算，如果想用“太陽引力望遠鏡”觀測距離地球4.24光年的地外行星，接收器須放在離太陽1200個AU（日地距離）的地方。所以，用引力透鏡當“宇宙望遠鏡”觀測指定天體目前還處于理論研究階段。
但星系尺度的強引力透鏡系統(tǒng)研究透鏡天體和源天體的性質(zhì)目前比較成熟。進行相關研究首先要找到此類系統(tǒng)，而宇宙中強引力透鏡系統(tǒng)相對稀少，尋找10萬個星系，才能找到幾十個。如果全靠天文學家去找，將是一個非常緩慢的過程。因此，天文學家要把數(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。
《中國科學報》：公眾參與該項目，需要具備怎樣的知識或技能。
李楠：參與引力透鏡搜尋公眾科學項目沒有特別的專業(yè)知識要求，中學生、天文愛好者都可勝任，甚至可以說“人人皆可參與”。
強引力透鏡搜索主要依靠形狀來辨別，只要知道它長什么樣子（弧狀或環(huán)狀結構）就可以去搜尋。同時，我們還可以借助背景天體和前景天體的顏色差異來進一步確認引力透鏡系統(tǒng)，這需要參與者對強引力透鏡圖像性質(zhì)有基本的認知。
具備一定天文知識，知道引力透鏡是什么，可以更準確、高效地辨識強引力透鏡系統(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)，也能找到強引力透鏡系統(tǒng)，不過有時會把一些類似結構，如環(huán)形星系誤判為引力透鏡。
《中國科學報》：目前人們發(fā)現(xiàn)了多少引力透鏡系統(tǒng)。應用這種透鏡系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了哪些天文現(xiàn)象。
李楠：目前已經(jīng)確認發(fā)現(xiàn)的引力透鏡系統(tǒng)有幾百個。天文學家用引力透鏡進行了一些星系內(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，還有應用時域信息測量哈勃常數(shù)（宇宙學模型中一個基本常數(shù)）等研究。
《中國科學報》：我國載人航天工程巡天空間望遠鏡（CSST）預計明年發(fā)射升空，屆時會對天文數(shù)據(jù)帶來怎樣的影響。
李楠：CSST是未來10年國際天文領域旗艦級的設備之一，投入運行后，預計10年總數(shù)據(jù)量可達60PB，大約對應上百億天體，這將帶領中國天文步入大數(shù)據(jù)天文學時代。如此大的數(shù)據(jù)量給科學家和公眾提供了充足的研究對象，屆時我們將把這些圖像“切”成若干小塊，分給參與者，讓大眾通過查看高質(zhì)量空間天文數(shù)據(jù)參與天文學研究。目前的強引力透鏡查找項目也是為CSST項目做些準備和培育工作，先把平臺搭起來，用當前的數(shù)據(jù)培養(yǎng)一批用戶，當CSST數(shù)據(jù)到來時，可實現(xiàn)海量空間天文數(shù)據(jù)和公眾的無縫連接。
《中國科學報》：后續(xù)我們還有哪些公眾參與科學的計劃。
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），時域信息研究，超新星尋找等。
其實公眾科學項目國外起步較早，10年前國際上就有星系形態(tài)分類公眾參與科學項目，目前較成熟的有星系動物園（www.galaxyzoo.org）、引力透鏡查找（www.spacewarps.org）、行星獵人項目等。而且，國外一步步把各種公共科學項目綜合起來，構建一個大平臺。比如，宇宙動物園公民科學計劃（Zooniverse.org）把生物學、海洋學甚至莎士比亞手稿辨別等內(nèi)容都放進來了。
國內(nèi)這方面的科學項目剛開始，但我們的優(yōu)勢是網(wǎng)絡基礎設施好，高質(zhì)量用戶多，所以追趕起來會很快。從硬件條件來說，用戶有個人電腦就可以參與，目前我們正在開發(fā)小程序，屆時有手機就能參與其中。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1093/mnras/stac2130
https://doi.org/10.48550/arXiv.2204.04866
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