地球上的宇宙：实验天体物理学一瞥

伤我心太深

印象中的天文学基本属于观测与理论，对其他学科的发展贡献良多的实验在此却很大程度上缺席了。个中原因无非是因为天体条件往往相当极端，难以利用现有技术一一复现；何况实验的尺度与持续时间也远远不能与真实的天体相比拟，无疑也给实验的设计者提出了挑战。
实验天体物理学正是要利用地球上有限的条件和技术，通过模拟实验来调研天文现象内在的物理机制。可以认为它是天文学最年轻的分支学科之一，因为当代意义上的实验研究起源于30多年之前，第一座专用实验室则是荷兰莱顿大学的Raymond & Beverly Sackler实验室。但如果将夫琅禾费、本生等分光先驱在19世纪进行的早期光谱分析也算在其范畴之内的话，实际上这门学科要看作是整个天体物理学的鼻祖和基石。而从夫琅禾费的时代至今，携带有大量信息的各种光谱也一直是实验天体物理重点关注对象。与光谱的产生有关的一系列参数如反应截面、不透明度之类，连同某种特定化学成分所产生的光谱形状，一般也只能通过实验手段来确认。

分子吸收谱线的模拟图（图片提供：Benjamin McCall / Univ. of Illinois）

比如对分子吸收线来源的证认。天文学家对其起源的不解几乎可以与太阳光谱初次探测到氦元素吸收线之后引发的疑惑相比。确认谱线来源的基本方法很简单，先推测可能的分子，再在实验室中测量它产生的谱线，并与天体光谱对比。只是氦元素的真实身份早已确认，查明所有分子的组成却还遥遥无期，因为这需要对星际空间有相当的了解；不过当下对包括布基球离子和长链有机分子在内的候选分子的实验研究已经给该领域带来了曙光。
再比如彗星的X辐射问题，虽说大体上可以用彗星俘获太阳风电子来解释，但理论计算结果仍与观测有差异。这种差异的原因被归结原子数据的不准确，于是实验校正工作势在必行，而且实验结果又在很大程度上证实了先前的推测。
取得上述进展的前提是对天体环境的再现。首先要模拟宇宙中的高真空环境，然后根据需要对待测物质加热或冷却。为探讨不同的过程，还需要考虑电离、辐射加速等因素，外加其他星际成分的参与。就具体操作手段来说，让分子电离可以是通过放电，也可以是借助与电子的碰撞等其他手段来实现；吸收光谱的测量则经常借助对激光的吸收来完成，并通过调节激光波长来获取完整的谱线。另一方面则是理论计算工作，一来可以求解难以再现的极端条件，二来也可以加深对相关物理的认识。

伊利诺伊大学的光谱实验设备，左图为加热分子的烘箱，右图为法布里-珀罗激光器。分子经加热后注入真空腔并在其中迅速膨胀冷却，由激光器作光源，以测量其吸收谱。（图片提供：Benjamin McCall / Univ. of Illinois）

与星际尘埃相关的话题是实验天体物理学的又一个目标，如尘埃的组成和特性、气体之间或者是在尘埃表面进行的化学反应，还有尘埃粒子的生长与破坏过程。除了事关尘埃本身的特性，这方面的结果可能还会为恒星和行星的演化提供线索。
光谱与尘埃之外，实验天体物理学也可以用来探讨大尺度现象。这方面的研究发源也比较早：可以追溯到挪威科学家Kristian Birkeland在19世纪末的太空舱（Terrella）实验，以及由此得出的气体放电产生极光的结论。这个结论在提出后很长一段时间内一直饱受争议，直到太空时代到来之后，其价值才为人意识到。

Birkeland的太空舱，可见其中的辉光。Birkeland的研究表明，光线的亮度与磁场关系不大，但与放电电流密切相关。（图片来源：The Plasma Universe）

当代的大尺度模拟实验还要涉及流体以及等离子体，包括湍流、吸积、喷流和激波。由于这些过程往往与天体的剧烈活动现象关联，动用的实验设备也自然需要达到高能量密度，其中包括激光装置和Z箍缩。正因为如此，为核物理开发的仪器同时也可以转作实验天体物理用途，如美国利弗莫尔实验室拥有近200束大功率激光的惯性约束核聚变设施——国家点火装置。
考虑实验室条件与真实天体尺度的不同，这类实验的必要步骤是标度变换，好在磁流体所依赖的基本方程组允许这种操作，只要初始条件类似，接下来的演化也彼此类似。麻烦在于，天体基本可以满足理想磁流体的条件，但地面实验在一般情况下往往不允许这样假定，除非仔细设计实验条件，才能让二者的演化真正相似。

实验室的温度密度条件（激光与Z箍缩）与天体环境的比较，图中一并标出了未来有可能实现的惯性约束核聚变（ICF）以及磁聚变（MF）允许的条件。（图片来源：Ciardi 2009）

今年巴黎天文台公布的喷流模拟工作是大尺度实验一个很有趣的例子，模拟对象是原恒星的超音速喷流，分别用锥状和径向缆线组模拟了流体和磁流体喷流的形成，一并还讨论了喷流与不均匀星际介质作用引发的团块与拐折问题。其中磁流体喷流更为接近理论预言的原恒星喷流，原恒星喷流的产生是吸积盘自转与磁场共同作用的结果，盘中的角动量被提取出来，磁压加速并约束了喷流，而在实验中并没有考虑吸积盘的存在，只借助电磁场加速等离子体。整个实验耗时耗力，从提出模型、设计实验，到最后结果分析完毕，每次周期长达3至5年。
喷流模拟对应的温度是几万开尔文到几百万开尔文，与真实原恒星的喷流很接近，只是论尺度（几厘米）和演化时标（几百纳秒）要比后者小得多。英国也有小组作过类似的实验。而象国家点火装置这样的大型激光设施能够达到的最高能量还可以更上一层楼——几千万开尔文，与恒星内部的温度相当，由此就可以测定反应速率等恒星物理关键参数，甚至是再现大质量恒星爆发瞬间的种种核反应。

国家点火装置的工作场景概念图，该装置将于2009-2010年投入使用。（图片提供：Lawrence Livermore National Security, LLC, Lawrence Livermore National Laboratory, and the Department of Energy）

其实当代实验天体物理学发挥的作用远比通常想象的要来得大，至少为支援哈勃、ALMA这样的知名项目，有过对实验主题的探讨。毕竟对于支配天体的物理基础来说，只要条件允许，实验会是最直接也最为有效的研究手段，也是对理论和观测的必要补充。