古老底片与超级望远镜共绘动态宇宙

1950年和1951年在南非布隆方丹的阿马-邓辛克-哈佛望远镜拍摄的玻璃底片被人工加上了注释。

2007年初，雷内·胡德克（René Hudec）在哈佛-史密松天体物理中心的D楼里，翻阅着满屋子从地板到天花板的储物柜，这里看起来更像是一个庞大的唱片收藏室，而不是学术档案馆。每个纸套里都装着一块玻璃底片（大部分是8乘10英寸大小），这是在复杂的数字探测器时代之前，记录宇宙历史的摄影档案。捷克科学院（位于翁德热约夫）天文研究所的天体物理学家胡德克正在寻找他记忆中一种特定的恒星分布模式，该区域具有一个由巨大但致密的天体组成的双星系统。在那里，两个超大质量黑洞及其周围的吸积盘正锁定在一场最终将它们合并为一体的“舞蹈”中。胡德克正在追踪这个被称为OJ 287的系统是在何时发生亮度耀发的。

胡德克的档案侦探工作取得了成功：他在2000多块玻璃底片上发现了这对黑洞双星。最早带有可用数据的底片可追溯到1896年。他用放大镜检查每块底片，通过与视野中的其他恒星进行比较来估计该系统的光度。天文学家已经知道1913年的一次耀发和最近的一些事件，但胡德克最终发现了多个天文学界此前未知的耀发事件，包括1900年的一次大型耀发。

借助这些新——或者说，其实是旧——数据，胡德克及其同事可以更好地对该系统进行建模，并开始理解导致这些耀发的物理机制。“对历史爆发的发现和确切计时，”他说，有助于“调整模型参数。”其中一个黑洞的质量大大多于另一个。当质量较小的黑洞穿过另一个黑洞的吸积盘时，就会产生与他发现的历史耀发相吻合的“烟火”。

OJ 287和其他活跃黑洞只是亮度随时间变化的天体或系统的一种。事实上，宇宙中充满了周期性波动或迅速爆发然后消失的天体。夜空，尽管表面上看起来始终如一，实则暗流涌动且火花四溅。事实上，“每个天体物理对象都可以在不同的时间尺度上被视为瞬变源或变星，”意大利国家天体物理研究所巴勒莫天文台的天体物理学家罗莎丽亚·博尼托（Rosaria Bonito）说。任何试图理解我们在宇宙中看到现象的努力，都依赖于了解它每晚是如何变化的。

头顶天空不断变化的概念，促成了最新大型天文台的发展。位于智利安第斯山脉高处的薇拉·C·鲁宾天文台（Vera C. Rubin Observatory）将于2026年初开始一项为期10年的巡天计划，该计划将监测所有变化和移动的物体，以揭示天文学家所称的“时域宇宙（time-domain universe）”。结合以前望远镜的数据——无论是数字形式还是玻璃底片形式——该项目有望提供一个极其动态的视角。鲁宾望远镜的价值不仅在于它将产生的大量数据，还在于它有潜力将今天的观测结果与一个多世纪以来的细致工作联系起来。在那些面临消失风险的庞大模拟数据馆藏中，隐藏着与今天不断变化的宇宙之间尚未被探索的联系。将现代与历史结合起来，可能会向我们展示一部长达一个世纪的头顶天空微缩电影。

唯一不变的是变化

远离光污染的城市，人们可以看到流星划过夜空。在同样的夜景中，木星和火星移动的速度比遥远的恒星快。还有许多、许多其他的变化，由于人类肉眼不够敏感而无法察觉。

“宇宙中的一切都在改变，没有什么是静止的，”加拿大维多利亚赫茨伯格天文学和天体物理学研究中心的天文学家伊丽莎白·格里芬（Elizabeth Griffin）说。“这些变化可能非常快，非常具有周期性；可能是爆炸性的，可能是突然的；或者它们可能非常、非常缓慢。”

所有这些变化构成了天文学家们正致力于揭示的动态宇宙。加州理工学院的天文学家马修·格雷厄姆（Matthew Graham）将时域天文学研究的对象分为两类：会爆炸的物体和会波动的物体。前者也被称为瞬变源（transients），它们变化迅速。这包括宇宙中最大的爆炸现象，如超新星爆发和伽马射线暴。

哥本哈根尼尔斯·玻尔研究所（Niels Bohr Institute）的一块照相底片捕捉到了1919年的日食，该日食被用于证实爱因斯坦的广义相对论。哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所

第二类是可变天体（变星），包括种类繁多的单颗恒星，比如造父变星，其波动的速率能揭示其固有的内在亮度（这使得它们在测量星系距离时非常有价值）。双星系统也属于这一类，因为它们观测到的亮度变化取决于每颗恒星所处的位置、一颗是否正从另一颗前面经过，以及一颗是否正在从另一颗处吸取物质。

星系核心的活跃吸积黑洞也会随着时间发生变化，“跨越所有的波长和各种各样的时间尺度，”研究这种变异性的格雷厄姆说。这些现象可以告诉天文学家和天体物理学家，在最极端的环境中物理学是如何运作的。任何描述这些活动星系核（AGNs）如何发射耀发并产生其他亮度变化的理论模型，都必须与实际观测相匹配。这就是时域天文学的用武之地：追踪一年、十年或一个世纪内的变化，为天体物理学家提供了用来匹配模型的具体标记。

天体变化的全部广度有助于确立天文学家对理论理解的边界：爆炸的恒星帮助宇宙学家测量河外距离，而恒星亮度的变化可以揭示恒星演化的细节。在今天，研究人员通常利用强大的数码相机来捕捉这些变化。大约40年来，这一直是首选的方法。但在数字成像探测器发展之前，天文学家使用的是模拟摄影和玻璃底片。为了在动态的天空中发现变化，研究者依靠肉眼仔细比较在不同时间拍摄的底片图像。在模拟天文摄影的一个世纪里，无论是收集数据还是发现天体变化，都花费了大量的心血与时间。

仰望星空的新眼睛

薇拉·C·鲁宾天文台将用其广角相机系统研究从智利帕琼山顶可见的几乎整个天空。其目的是通过比较不同时间拍摄的图像，在太阳系内以及更遥远的地方发现数以百万计的新天体。这与近100年前克莱德·汤博（Clyde Tombaugh）在亚利桑那州洛厄尔天文台发现冥王星时使用的技术是一样的。汤博在几个月的时间里拍摄了数千张长达一小时曝光的照片，并通过肉眼检查它们，以记录太阳系边缘这个微弱的天体。

另一方面，鲁宾天文台拥有一台为任何目的所建造的史上最大的相机。在一次15秒的曝光中，鲁宾天文台能发现比冥王星观测镜看到的还要暗2500多倍的物体，比人类裸眼能看到的暗约4000万倍。其“时空遗产巡天”（Legacy Survey of Space and Time，简称LSST）项目将把天空划分为网格，不断地从一个3.5度宽的视场（相当于七个满月并排）移动到下一个。在未来的10年里，它将用六种滤光片（从紫外线到可见光再到红外线）对南部天空进行约1000次成像，让越来越暗淡的天体进入视野。鲁宾天文台将展示一个不断变化的宇宙，里面充满了移动的物体、亮度变化的恒星和恒星爆炸现象。将鲁宾天文台建成前后的天空景象进行对比，博尼托将其比作音乐，“就像从单音变成了和弦。”

薇拉·C·鲁宾天文台（上图）即将开始一项为期10年的巡天计划，该计划将对整个南部天空成像1000次。其望远镜拍摄的早期图像（下图）已经带来了新的发现。

NSF–DOE Rubin Observatory/P.J. Assuncao Lago (top); NSF–DOE Vera C. Rubin Observatory

一旦巡天工作全面展开，鲁宾团队估计该天文台每天晚上将收集20 TB（太字节）的数据。软件会自动将刚刚捕获的图像与同一位置之前的图像进行比较。如果发生任何变化，它会在一分钟内发送警报。“它基本上是一个信息小数据包，告诉你一个光源在何时、何地以及改变了多少光度，”北卡罗来纳大学教堂山分校的天体物理学家伊戈尔·安德烈奥尼（Igor Andreoni）说，他是鲁宾变星和瞬变源小组的联合主席。

届时将会有大量的警报产生；鲁宾团队预计在为期10年的巡天计划中，将发送超过200亿次警报。任何人都可以接收它们，但没有人能指望将它们全部梳理一遍。为了管理这股数据洪流，研究人员正在编写他们自己的代码来对警报进行分类。例如，安德烈奥尼正在寻找在连续至少三张图像中显示出亮度变化的任何物体，特别是那些由于太靠近黑洞而被拉伸和改变的恒星的案例——即“潮汐撕裂事件（tidal disruption event）”。

鲁宾天文台将在数小时、数天乃至最终的十年间捕捉这些变化。但许多宇宙变化发生在更长的时间跨度上，在过去的几十年里肯定有无数在当时未被注意到或未被记录的瞬变源。如果研究人员想要获取过去几十年之外的时域天文数据，汤博使用的那种古老技术仍然至关重要。只是对于玻璃照相底片来说，可没有自动发出的警报。

玻璃天空

1980年左右之前的天文摄影与数字时代的完全不同。像汤博这样的科学家将天空成像在单面涂有生化乳剂的矩形玻璃板上。当星光穿过望远镜时，它会照射到玻璃底片上的乳剂上。当科学家冲洗这些底片时，星光照射到乳剂上的任何斑点都会变暗。暗度的密度与更亮的星光相对应。

这张1934年在哈佛橡树岭天文台拍摄的仙女座星系底片上被做了大量标记，因为它曾被用来清点星系数量。

曾访问过世界上70多个底片收藏馆的捷克天体物理学家胡德克估计，可能仍有1000万块底片存世。如果所有这些底片都被仔细数字化，它们将相当于数千TB的数据。它们蕴藏着一个多世纪以来的天文观测结果。尽管它们散布在世界各地且查阅繁琐，但它们已经为当今的研究人员提供了100多项现代发现。

哈佛-史密松天体物理中心的藏品是世界上最大、研究最透彻的天文底片档案馆，拥有约550,000块底片。该藏品涵盖了南北半球的天空，包含从1849年到1992年的观测记录。得益于哈佛大学天体物理学家乔纳森·格林德莱（Jonathan Grindlay）领导的一项为期20年的数字化项目，其中约43万张底片现在已经变成了数字化且可搜索的格式。“这似乎是一件非常理所当然该做的事情，”他说。

“哈佛世纪天空数字访问项目”（Digital Access to a Sky Century at Harvard，简称DASCH）已被近100篇科学论文和演讲引用，这些基于此的发现涵盖了时域天文学的所有领域。格林德莱表示，这就是关键所在：“能够以以前从未有过的方式进行时域天体物理学研究。”

19世纪90年代哈佛大学天文台的照相底片档案馆。在接下来的一个世纪里，它将继续扩张。图片来源：Science History Images/Alamy

虽然哈佛的大部分底片都已经数字化，但其他档案馆中的大多数底片却没有。此外，一些研究这些底片的天文学家更喜欢使用真实的物理对象，这样他们就能确保扫描过程中没有产生任何伪像。时域上的差异往往是极其微妙的。

克罗地亚里耶卡大学的天体物理学家拉伊卡·尤尔达娜-舍皮奇（Rajka Jurdana-Šepić）在开始底片搜索时，总是会带着一份包含10个或更多物体的“心愿单”。虽然像胡德克和格雷厄姆这样的天文学家可能在寻找几个特定的、活跃的、亮度可变的超大质量黑洞，但像尤尔达娜-舍皮奇等其他人则研究爆发的恒星。其目标是更好地了解导致亮度变化的物理过程和机制。

在底片库中（如意大利阿夏戈天体物理天文台和哈佛大学的藏品），尤尔达娜-舍皮奇将她锁定的底片从架子上取下来。她小心翼翼地把它们从纸套中取出来，一次只将一块底片放在看片灯箱上。然后是最困难的部分：通过显微镜在成千上万个黑点中找到她那个半英寸宽的视场。通常她能在20分钟内找到该区域。然后她开始进行测量。她在这个环节喜欢听歌剧：“我的耳朵里听着普契尼、威尔第或其他什么，桌子上放着成千上万块底片，”她说。

她的测量工作包括用肉眼比较在这个微小视野中的恒星目标与已知星等的明亮恒星。“例如，比A暗七个等级，比B暗三个等级，”她说。在几周的工作结束时，她会在成百上千块底片上记录几百个星等测量值，从而为该天体建立一条跨越几十年的光变曲线。

雷内·胡德克走访了世界各地70多个底片收藏馆，据他估计，存世的玻璃底片可能有1000万张。图片来源：Rene Hudec

路易斯安那州立大学的天文学家布拉德利·谢弗（Bradley Schaefer）主要研究激变变星（cataclysmic variable stars），即由于某种重大物理动荡而导致亮度随时间变化的天体。他最喜欢的是再发新星（recurrent novas）——这是一种双星系统，其中一颗大质量白矮星从其伴星那里吸取了如此多的物质，以至于其表面变得足够稠密和高温，从而发生核聚变，导致亮度急剧增加，这种情况每个世纪至少发生两次。更常见的新星也是以类似的方式工作，但它们的白矮星较小，这意味着它们的爆发频率要低得多。

科学家认为再发新星和Ia型超新星之间可能存在某种联系。这些超新星对于测量宇宙的膨胀率至关重要。谢弗正在验证“再发新星可能演变成Ia型超新星”这一理论。

通过测量它们多年来的亮度（可能涵盖多次聚变爆发），谢弗可以观察这些双星轨道系统中的模式和变化。他已经能够追踪十多个系统的轨道周期，并排除了其中几个作为某种特殊类型超新星爆发前身的可能性。

为了完成这项工作，“你需要几十年的数据，”谢弗说。“档案数据是目前唯一的出路。”

历史爆发

如果（以及当）宇宙中的某个天体发生爆炸，天文学家想知道它的历史。旧数据让他们能够观察到早期的光点、耀发或其他活动，“这有助于解释机制，或许还能提示出一个不同的模型，”格雷厄姆说。

格雷厄姆研究的活动星系核（AGNs）是活跃的超大质量黑洞及其周围的吸积盘。这些变化是随机的，因此描述它们的亮度变化非常复杂。他说，虽然科学家们拥有60年的目标数据和500万个活动星系核的时间序列图像，“但我们仍然真的不了解它们发生变异的机制。”

格雷厄姆是兹威基瞬变源观测设备（Zwicky Transient Facility，简称ZTF）的联合负责人和项目科学家，这是另一个寻找变化宇宙天体的巡天项目。ZTF使用加利福尼亚州帕洛马山的48英寸奥斯钦·施密特望远镜。这台望远镜跨越了观测天文学的不同时代。如今它配备了先进的数字探测器，但在玻璃感光底片时代，它也曾被用于基础巡天。格雷厄姆最近获得了20 TB的历史数据：这是在帕洛马天文台巡天（POSS，首次进行于20世纪40和50年代）及其后继项目POSS-II（跨越20世纪80和90年代）期间捕捉的底片的数字化版本。

这不是他第一次合并多个巡天项目的数据，尽管过去他只专注于将数字巡天数据整合在一起。合并来自多个望远镜和观测结果的数据集需要进行复杂的校准，以考虑到不同的光学器件、滤光片和探测器的差异。

格里芬表示，物理底片或它的扫描图像会增加进一步的复杂性。摄影乳剂的密度——那些黑色的标记——以一种非常特定的非线性方式与入射星光的强度相关联。

但是懂得如何解读底片的天文学家，可以将他们的测量结果与最近的巡天结果结合起来，以获得更长期的宏观视角。谢弗使用来自多台空间望远镜的数据，但除非将它们与地面数据集以及更具历史意义的观测形式结合起来，否则这些数据对他的研究目的帮助有限。“这只是（时间线上的）一个点，”他在谈到空间望远镜的图像时说，“而完整的故事则讲述了一个世纪之久。”

与时间赛跑

在1980年之前的一个世纪里，天文学家用来记录天空的每一台望远镜都使用玻璃底片摄影。如果储存在稳定的条件下，并且没有被重物压在上面，这些底片可以保存几个世纪。

不幸的是，当大学科系搬迁建筑时，一些收藏品被放错了地方。另一些甚至被当成垃圾扔掉了。在许多幸存下来的底片中，它们的保存状况也令人担忧；一些玻璃底片破裂了，或者几乎碎成了玻璃渣。在其他情况下，由于湿度的波动，乳剂正在剥落，或者由于暴露在水分中而长出霉菌。

胡德克和格里芬都强烈倡导这些历史文物的科学价值。他们都曾目睹过收藏品被毁，也曾奋力抢救过数据。

格里芬谈到了她在海外一个收藏馆的经历。她把手伸进一个装满底片信封的盒子里，拿出一块带有明亮的牧夫座大角星（Arcturus）光谱的底片。“乳剂脱落了，”她说。“手里拿出来的只剩下一块透明玻璃。”盒子里所有的底片都发生了同样的情况。它们显然是从高湿度环境过快地转移到了低湿度环境中。

幸存的底片收藏可以成为不断产生新发现的源泉。通过仔细扫描，它们所保存的数据可能是无价的，充满了关于一个世纪以来天文耀发、爆发等隐藏的惊喜。鲁宾天文台将带来许多令人难以置信的新发现；其早期的图像已经证明了这一点。但宇宙天体的寿命极其漫长，对今天数据的深刻理解仍需要依赖于昨天的数据，也就是那些一堆又一堆令人赞叹的玻璃底片。这就是为什么格里芬说，“保存它们绝对是无比重要的事情。”

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重要术语及其翻译表

英文原词	中文翻译	备注说明
Time-domain universe	时域宇宙	天文学的一个分支领域，专注于研究天体随时间变化的现象。
Transients	瞬变源 / 瞬变天体	在短时间内亮度发生剧烈变化的天体现象（如超新星爆发、伽马射线暴）。
Variable objects / variables	变星 / 可变天体	亮度随时间产生周期性或非周期性变化的天体。
Photographic plates / Glass plates	照相底片 / 玻璃底片	在数字相机出现前，天文学家广泛使用的涂有感光乳剂的玻璃板，用于记录星空。
Accretion disks	吸积盘	由弥散物质组成的围绕中心体（如黑洞、白矮星）转动的盘状结构。
Active galactic nuclei (AGNs)	活动星系核	星系中心极其明亮且活跃的区域，通常由超大质量黑洞驱动。
Cepheids	造父变星	一种按一定周期改变亮度的恒星，可用作测量星系距离的“标准烛光”。
Tidal disruption event	潮汐撕裂事件	恒星过于靠近超大质量黑洞时，被黑洞的潮汐力拉伸并撕裂的现象。
Cataclysmic variable stars	激变变星	一种包含白矮星和伴星的双星系统，由于物质转移会导致亮度的剧烈爆发。
Recurrent novas	再发新星	一种经历过两次或以上新星爆发的激变变星系统。
Light curve	光变曲线	描述天体亮度（光度或星等）随时间变化的图表。
Emulsion	乳剂 / 感光乳剂	涂抹在摄影底片表面、用于感光并记录影像的化学涂层。