審稿過程像坐過山車，武大團(tuán)隊黑洞研究終發(fā)Nature

2023-08-14 09:09:48 來源：中國科學(xué)報

本報記者李思輝通訊員謝午陽

【資料圖】

“整個宇宙，將為你閃爍。”這是科幻作品《三體》中描繪的經(jīng)典場景。作品中，射電望遠(yuǎn)鏡觀測到了肉眼看起來平靜，卻進(jìn)行著強(qiáng)能量活動的“星空”。看到這一不尋常現(xiàn)象，故事中的主角為之興奮、詫異、震驚。

在現(xiàn)實中，這份因“閃爍”而引發(fā)的興奮，落在了武漢大學(xué)天文學(xué)系一個研究團(tuán)隊身上。經(jīng)過近4年的努力，武漢大學(xué)天文學(xué)系與中國科學(xué)院國家天文臺等單位合作，觀測到了“黑洞微類星體中的亞秒級周期射電振蕩”。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《自然》。

武漢大學(xué)天文學(xué)系教授王偉告訴《中國科學(xué)報》，研究團(tuán)隊觀測到的射電振蕩信號“就好像黑洞在‘閃爍’”。

探索神秘“新”信號

“心電圖可以反映人的身體狀況。類似的，宇宙中的天體也會發(fā)出一些特有信號，人們可以通過這些‘閃爍’了解它們內(nèi)部發(fā)生的變化。”王偉解釋道。

其實，早在上個世紀(jì)，天文學(xué)家就開始探索天體的“閃爍”了。

20世紀(jì)60年代，英國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)能穩(wěn)定發(fā)射脈沖信號的致密天體脈沖星，記錄到其像心電圖一樣的系列脈沖。這一發(fā)現(xiàn)后來獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，脈沖星也因其在天文研究中的重要性，被人們稱為“宇宙的燈塔”。

但是，天文學(xué)家并不想止步于此。盡管脈沖星“小小的身體里蘊(yùn)藏著大大的質(zhì)量”，其引力仍無法和黑洞相提并論。“我們常說，沒有一束光可以逃過黑洞的引力。”王偉分析說。

那么，沒有“光”，要通過什么來觀測？

“相關(guān)的研究有很多，但我們想做的是探索黑洞特殊的射電信號。”據(jù)王偉介紹，黑洞會把其周圍物質(zhì)“拉”進(jìn)來并加熱，之后再把它們“拋”出去，形成噴流。通過觀測微弱的噴流信號，科學(xué)家們就可以揭開黑洞神秘面紗的一角。

此前，王偉團(tuán)隊主要使用“慧眼”衛(wèi)星探索黑洞。隨著“中國天眼”（500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，簡稱FAST）建成投入使用并產(chǎn)出很多天文新發(fā)現(xiàn)，一個大膽的想法在王偉心中萌生——能不能利用FAST觀測黑洞？

FAST主要觀測目標(biāo)是脈沖星等天體，在科學(xué)目標(biāo)設(shè)計上并沒有觀測黑洞這一項。這一次，王偉團(tuán)隊利用FAST，首次對黑洞微類星體開展時間分辨率高達(dá)50微秒的射電觀測。

“黑洞越神秘，我們就越想要探索。”王偉說，“我們做的是有史以來最高精度的黑洞射電觀測。”在50微秒的高時間精度下，黑洞在毫秒之間的變化都逃不過FAST的“眼睛”。

2019年有了初步想法，并申請到FAST觀測時間的王偉，開始推進(jìn)這一課題。

自2020年初起，來自黑洞的微弱射電信號就開始源源不斷地被FAST接收并存儲下來。不過受疫情影響，數(shù)據(jù)一直無法獲取并進(jìn)行分析。同年暑期，一名學(xué)生加入王偉團(tuán)隊攻讀博士學(xué)位，開始參與處理這些已積累幾個月的觀測數(shù)據(jù)。

彼時，這名博士生還不知道這是怎樣的一個“大工程”。

“數(shù)據(jù)堆”里找“閃爍”

“從我2020年7月加入團(tuán)隊，到這篇文章正式被接收，過了3年時間。”論文第一作者、團(tuán)隊成員2023屆博士畢業(yè)生田鵬夫告訴《中國科學(xué)報》。

在這“漫長”的3年中，他的主要工作就是數(shù)據(jù)處理。

“其實，如果只是處理數(shù)據(jù)，不會花這么長時間。”田鵬夫說，“這與我起初對研究內(nèi)容完全不熟悉有關(guān)。”

幾乎是從“零”開始的田鵬夫在合作團(tuán)隊成員的指導(dǎo)下，學(xué)習(xí)相關(guān)的數(shù)據(jù)處理方法。但是，由于如此高精度的黑洞“閃爍”研究前所未有，即便有老師指導(dǎo)，也需要他自己摸索著前進(jìn)。

編寫數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)、自組計算機(jī)集群、開拓新的物理途徑……相關(guān)研究工作幾乎都是從“新”開始。“由于觀測和數(shù)據(jù)分析方法都是全新的，很多工作都需要自行創(chuàng)造研究條件。因此，我們進(jìn)行了艱難的嘗試。”王偉說。

2021年，該團(tuán)隊在一堆數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了一個“不一樣”的信號。興奮之下，驗證后的結(jié)果卻給大家潑了一盆冷水——這個信號是由于儀器自身的抖動造成的，與黑洞等天體無關(guān)。

回憶起當(dāng)時的情景，田鵬夫至今仍有些挫敗感，“感覺心里空落落的。做了一年多，別說有結(jié)果，甚至連方法都是錯的”。

更令他著急的是，同一批跟著導(dǎo)師王偉讀博的3名博士研究生中，除他之外，另外兩名同學(xué)都頻頻發(fā)表SCI論文。其中一名同學(xué)3年發(fā)了3篇，平均一年1篇；另一名同學(xué)3年發(fā)了5篇，差不多半年1篇，而他聚焦的黑洞“閃爍”因為“太過虛幻”，直到臨近畢業(yè)，連一篇論文都沒有。

在這期間，因為壓力大，他常常焦慮得睡不著覺。手上這篇不知道何時才能完成的“黑洞”論文，成了壓在他心里的大石頭。

有一次，田鵬夫幾乎徹夜失眠。那天早上，他和王偉約好進(jìn)行工作討論。“到了辦公室，我能聽到王老師在說話，至于他說的是什么意思，我根本反應(yīng)不過來。”田鵬夫說，“感覺腦子里一團(tuán)糨糊。”

由于黑洞的射電信號過于微弱，數(shù)據(jù)被干擾是常有的事。此前，背景干擾就曾蓋過了黑洞信號，王偉只好向FAST申請補(bǔ)償觀測。

“很幸運(yùn)，那次補(bǔ)測剛好看到了這個信號。”王偉說。

獲得信號只是第一步。有了干擾的“前車之鑒”，團(tuán)隊對此次補(bǔ)測所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了更多檢查，證明它真實存在。

基于這次觀測數(shù)據(jù)，2022年暑期論文終于投出去了。

坐著“過山車”改稿

“審稿的過程，就像坐過山車一樣。”田鵬夫回憶，論文一審意見比較積極，這讓他很高興，覺得修改之后就可以發(fā)表。但到了二審時，多位審稿人卻持截然不同的態(tài)度，致使論文遲遲沒有被接收。

田鵬夫的心情“每況愈下”。

在這期間，為了不讓學(xué)生承受更大壓力，王偉沒讓田鵬夫參與審稿的過程，而是將難題留給了自己。

黑洞的射電脈沖信號十分微弱，人們依然不清楚它的物理本質(zhì)。在這篇論文之前的版本中，該團(tuán)隊構(gòu)建了一個物理模型，試圖就這一發(fā)現(xiàn)講一個合理的科學(xué)故事。

“隨著和審稿人、主編之間來回‘交涉’，我們最后把所有物理模型和故事全部去掉，將它變成一篇單純闡述科學(xué)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)的論文。”王偉說。

功夫不負(fù)有心人。經(jīng)過多次觀測，該團(tuán)隊在2021年1月和2022年6月兩次發(fā)現(xiàn)黑洞存在暫現(xiàn)的亞秒級射電準(zhǔn)周期振蕩現(xiàn)象。這說明，這種現(xiàn)象不是偶然的，論文因此很快被接收。

“這種奇特的現(xiàn)象是第一次在黑洞系統(tǒng)中被看到。”王偉介紹，此次黑洞“閃爍”的發(fā)現(xiàn)，對于揭示致密天體相對論性射電噴流的起源與動力學(xué)過程具有重要科學(xué)意義，將打開黑洞射電觀測和理論研究的新思路。

“對我個人來說，近一年的審稿歷程具有很大的挑戰(zhàn)性，不過4年的堅持總算有了收獲。”王偉說。

對田鵬夫來說，這篇3年磨一劍的論文，趕在博士學(xué)位答辯之前正式發(fā)表，讓他的博士生涯從寂寂無名、“暗淡無光”，到廣受關(guān)注、豁然開朗。“就是那種苦盡甘來的快樂！”田鵬夫高興地告訴記者。

王偉也很高興，一是終于沒有耽誤學(xué)生，二是研究上又向前走了一步。半年多沒發(fā)過朋友圈的他連發(fā)了兩條動態(tài)。他寫道：“黑洞中還存在很多未知的現(xiàn)象，期待可以帶著學(xué)生繼續(xù)用FAST等高靈敏度天文望遠(yuǎn)鏡，獲得更多發(fā)現(xiàn)。”

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06336-6

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