玩得“野”！95后北大博士生收获“命中注定的论文”

 

文 ｜《中国科学报》记者 沈春蕾

今年9月，他完成了一项被广大越野跑者称为殿堂级赛事的环勃朗峰超级越野赛（UTMB）。而在此前的8个月时间里，他扛着雪板出没在全球多个滑雪胜地，从夏威夷的天文台到阿拉斯加的险峻山峰，留下了很多让人眼馋的照片。

连续奔跑攀登100公里后，王凯翔抵达法国霞慕尼的UTMB 终点拱门。摄影师小金供图

他曾获2020-2021雪季全国大学生滑雪挑战赛团体冠军、超级定点滑雪公开赛多届冠亚军，也是国内最年轻的百公里越野赛事完赛者之一，还是国家天文台兴隆观测基地特约摄影师……

他叫王凯翔，现在是北京大学物理学院天文系天体物理专业博士研究生。“今年的生日得晚两天再庆祝，我在等一份特殊的生日礼物。”11月7日是王凯翔的生日，他在接受《中国科学报》记者采访时有点兴奋地卖个了关子。原来王凯翔作为第一作者和共同通讯作者的论文将在11月9日发表于Nature。

他说：“这篇Nature是我今年收到最好的生日礼物。”王凯翔在这篇论文中，梳理了近5年的研究工作和成果，并揭示了困扰天文学家许久的超致密矮星系起源之谜。

Nature论文截图

填补星系和星团间的空白地带

“你们学天文的，相信有外星人吗？”

王凯翔经常会遇到这样的问题，他一般会反问：“银河系里像太阳这样的恒星约有几百亿个，很多恒星周围都拥有一个像太阳系这样的行星系统。而茫茫宇宙中像银河系这样的星系更是不计其数。既然太阳系不是唯一的，那么你认为地球是唯一的吗？”

不过王凯翔的研究对象并不是外星人，而是室女星系团里面的矮星系和星团，发表于Nature的这篇文章也是王凯翔持续聚焦思考了5年的成果。

公众对室女星系团可能感到陌生，但其实它曾登上过热搜。2019年，天文学家公布了人类有史以来获得的第一张黑洞照片，照片中的黑洞是M87星系中心的超大质量黑洞，而M87星系正是室女星系团的中心星系。

“这项研究所讲述的故事，正发生在M87周围。”王凯翔说。

在天文学界，星系和星团被认为是截然不同的两类天体——星系在暗物质晕中诞生成长，有较为复杂的恒星形成历史；星团则脱胎于星系内部的巨型分子云团块。矮星系指的是那些比较小、质量较低的星系，但它们的个头和质量往往是普通星团的上百倍。

2000年前后，天文学家首次发现了超致密矮星系，其性质介于星系和星团之间，使得星系和星团之间原本清晰的界限变得模糊。

超致密矮星系的本质到底是星系还是星团？一直存在着争议。

一方认为超致密矮星系起源于大质量球状星团，另一方则认为超致密矮星系是普通有核矮星系经历了吸积并合过程，外层恒星晕被剥离后遗留下来的中心核星团。此外，天文学界也不能排除超致密矮星系就代表了最致密的一类星系，被包围在暗物质晕中，但这一观点很难被观测和验证。

王凯翔表示，尽管近年来越来越多的研究结果支持许多超致密矮星系或起源于被剥离的矮星系，但天文学家还未清晰地在观测中“看见”这个持续二三十亿年的过程是怎么具体发生的。

利用下一代室女星系团巡天（NGVS）的观测数据，王凯翔所在的研究团队在室女星系团里搜寻到约600个超致密矮星系候选体，在对这些超致密矮星系进行了非常细致的结构分析后，发现约有15%的超致密矮星系被非常暗弱的恒星晕所包围，它们呈现出不同寻常的空间分布、颜色和运动学特征，表明这些天体的前身来自更大质量的矮星系。

王凯翔在日食下奔跑。（这张照片在北京天文馆举办的“2022天文摄影师大赛”中获奖）

“命中注定的一篇论文”

这个9月，对王凯翔而言，有点梦幻又有点难忘。

作为一名年轻的越野超级马拉松跑者，在经历了几年的努力训练和等待后，王凯翔终于来到法国霞慕尼参加UTMB，站上世界极限越野跑的巅峰舞台，在美丽的阿尔卑斯山带伤完成了CCC组100公里累积爬升6100米的艰难赛程。

王凯翔在UTMB的赛道上

在比赛中途，王凯翔还通过邮件跟Nature编辑沟通论文事宜。在霞慕尼顺利完赛回国后一周，王凯翔就收到了来自Nature编辑部的邮件，告知他的文章正式被接收。

“这是我的第一篇Nature论文，也是我博士期间发表的第一篇一作论文。”王凯翔清楚地记得将论文投递出的那天，刚好是他出生的第1万天，因此他称之为“命中注定的一篇论文”。

博士即将毕业还没有一作文章发表，不焦虑吗？面对记者的这个提问，王凯翔平静地说：“最开始关于超致密矮星系的研究是几年前我刚读博时练手的小课题，起步很早，并且做出了一些阶段性成果。后来随着研究的逐步深入，我发现了越来越多有意思的现象，脑海中有了更多疑问，并试图全面揭开超致密矮星系演化的来龙去脉。”

为此，王凯翔所在研究团队花费了两年多的时间申请世界上的大型望远镜时间，以观测处理分析数据。“这个过程中最需要的是沉得住气。”他感叹道。

由于疫情，导师和大部分合作者都远在国外，王凯翔度过了“孤军奋战”的3年。与此同时，他们也成功申请到夏威夷8米级北双子望远镜（Gemini North）两个观测季50多个小时的观测时间。其间王凯翔与导师一直保持密切的线上沟通，在导师的指导下远程开展工作。

王凯翔的导师彭逸西（Eric Peng）曾任北京大学物理学院天文学系副教授，现就职于美国国家光学—红外天文研究实验室（NOIRLab）。他表示，研究超致密矮星系的起源对于理解星系的形成和演化有着重要意义。

2022年下半年在美国访问期间，王凯翔梳理了大量观测结果后，突然意识到自己观测到了超致密矮星系形成的各个阶段，就好像时间切片一样，分段刻画了矮星系在星系团致密环境中被瓦解剥离，从普通矮星系到超致密矮星系（甚至星团）的变身过程。

在和导师讨论交流后，王凯翔决定将这些发现结集成一篇论文投给Nature编辑部。“论文的审稿比较顺利，仅用了不到半年时间。”对此王凯翔认为，打动审稿人的是“通过全面的系统性研究，发现了前人没有发现的变化，有望引导更多后续研究”。

超致密矮星系形成的全过程示意图。王凯翔制图

在查询文献资料时，王凯翔发现，从超致密矮星系发现至今，包括这篇论文在内，相关研究成果一共3次登上Nature，每篇论文的发表时间差不多相隔10年。王凯翔也希望自己的工作可以成为领域内和自己研究生涯的一个新起点，为将来的研究打开新的思路和窗口。

“天文是我所热爱的”

滑雪、摄影、越野……在王凯翔的微信和微博空间，这些内容的分享占据了很大部分，很容易让人产生误解：“这个小伙子哪里还有时间做科研？”

“我很喜欢户外旅行，喜欢利用卫星地图和游记搜索相对冷门的景点，一头扎进山野感受大自然的原始魅力，而往往那里又恰好是星空最美的地方。在徒步旅行和露营还没有如今这么火之前，我已开始独自在各地的山野间探索了。”王凯翔说。

月落时分的十二使徒岩与银河拱桥。今年7月，王凯翔摄于澳洲大洋路。

2009年，王凯翔第一次看到日全食，并喜欢上了天文。进入高中后，王凯翔成为学校刚组建的天文社团的初始核心成员，开始系统学习天文学方面的知识。2012年，他第一次参加全国性的天文奥林匹克竞赛就获得了一等奖，后来被选入了国家队，代表中国参加了当年的亚太地区天文奥林匹克竞赛，获得银牌。

“天文是我所热爱的，也希望能为之继续奋斗。”王凯翔说，“大家看到的是我满世界滑雪、越野和摄影的点滴，但发这些照片的时候，我可能正处在阅读论文或者数据分析的间隙。”

王凯翔在张家口市崇礼区的滑雪场进行训练。

当然，王凯翔也会遇到研究工作暂时毫无进展的情况，这时候他会选择上山跑步或者滑一场雪。他认为，极限运动可以塑造一个人，让身体和精神都更具韧性。

阅读论文、申请望远镜、进行观测、分析并讨论数据……这才是王凯翔这几年真正的工作状态。

“这篇Nature的研究成果使用了包括3.6米加拿大—法国—夏威夷望远镜、8米级北双子望远镜、哈勃空间望远镜（HST）在内的一些全球顶级的大型望远镜开展观测，进而能够揭示宇宙中部分极端星系的形成和演化。”王凯翔告诉《中国科学报》，“这些望远镜的申请非常不容易，希望不久的将来我们国家也能建成更多大型光学天文望远镜，助力中国天文学家做出更多的前沿发现。”

冰雪覆盖的夏威夷冒纳基亚天文台。王凯翔摄于2023年2月

如今，王凯翔已经不再是10多年前那个趴在家里阳台上，用双筒看星星的瘦弱小男孩。他正在用所掌握的天文学知识探索星空，向世界讲述他发现的宇宙故事。

相关论文信息：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06650-z