有些时候，科学家如果幸运的话，会在研究里遇上一些奇异的事情，使得他必须退后一步，思考到底出现了什么问题？本文正是要从事实的角度，来探讨这个奇异的故事 — 有时候，真正的科学就是这样产生的。
有时，我们会以新闻稿形式，发布我们圑队认为值得介绍的科学发现。以此吸引各界的采访、引用，有时甚至会被疯传，此为我们的研究工作了正面宣传。正如，2023 年 7 月的一篇新闻稿被广传后，有人因此在科学杂志上发表了一篇大受欢迎的文章，也有一位在科学界里很有份量的人士制作了一段长达 10 分钟的 Youtube 视频，介绍我们的研究，其观看次数高达 10 万次；美国天文学会 (AAS) 亦就该项研究制作了一段更为专业的 Youtube 采访，其观看次数更高于几乎所有其他经美国天文学会的同行评审的主要学术文章的同类视频。凡此种种，都显示了这个「奇怪的科学结果」的重要性。对此，下文将作更清楚的讲述。
以上这些媒体关注都是由我们近日在著名的《天体物理学报通讯》(Astrophysical Journal Letters) 上发表的论文引起的。那份论文描述了一项具备极高统计显著性的发现和结果，那项发现和结果既古怪又很难解释。《天体物理学报通讯》是一份频繁出版、具有价值的科学期刊。天文物理学家们可以透过这份期刊，及时发表具有原创性、影响力、易理解的简短论文。任何有兴趣的读者都可以浏览以下网页，查阅我们的研究结果： https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acdbcd.
我們相信，我們的發現對於理解銀河系以及其核心的形成和演化有著深遠的意義。我們的銀河系不但神秘、深不可測，也令人感到困惑和詭異⋯⋯
就像科学领域中的许多事情一样，我们是在进行其他研究时偶然得出有关发现。现在让我解释一下。
我的团队有一位非常勤奋的研究助理，她也是本篇论文的合著者，正处理由欧洲南方天文台甚大望远镜 (ESO VLT) 8.2m "FORS2" 光谱摄制仪所收集的一组质素极佳、范围广濶的光谱数据，同时亦进行现场采集，取得的相关窄频影像。而哈勃太空望远镜所提供的更高质素之存档影像，则发挥了补充的作用。这些数据最初是为一位博士生项目所收集的，在该项目里，Zijlstra 教授和我作为ESO提案的共同研究人员参与其中。由于此获批准的 ESO 观察计划能补充数据上的不足，ESO观察结果是在 2015 年至 2018 年间收集。最后，我们定位了 136 个物体，它们是具有深度、高度的讯噪比之光谱观察结果和高品质影像。然而，到目前为止，这些有价值的数据还未得到充分利用。我必须承认，根据8 年前采集的数据来撰写论文并不罕见。实际上，许多论文甚至没有被写出来，潜在有价值的数据就这样被遗忘在旧磁带、硬盘中，或者被遗弃在某个天文台的存档系统中，没有受到关注。
四座欧洲南方天文台 (ESO) 8m 望远镜当中的三座，见于作者 QAP 于 2019 年 6 月为另一个行星状星云后续计划拍摄的风景照片里。
这里的相关性数据涉及称为行星状星云 (PNe) 的物体，也就是垂死的星体迸发出的美丽、光亮的气态物。事实上，我们的太阳最终将会在大约 40 亿年之后变成这样的一个物体。由于这些物体具有神秘的形态，美国太空总署、欧洲南方天文台、哈勃太空望远镜以及另外一些机构经常为教育和公共宣传用途对其进行拍摄，因此这些物体常常出现在新闻之中。这些行星状星云当中，许多都有类似蝴蝶的形状，而由于可见由迸发气体构成之对立的叶瓣，其正式名称为「双极性」行星状星云。
人们也可以藉著研究行星状星云，窥探星体消逝的精粹。在行星状星云消散至星际空间之前，往往只持续数千年。相反，像太阳那些中、低质量的星体，其生命期长达数十亿年。相比之下，行星状星云的生命期，在宇宙穹苍之间，就好像眨一下眼那样短暂，俨然是星体消亡的瞬间快照。尽管它们生命期很短暂，行星状星云却是很有用的天体物理工具，因为它们有丰富的射线光谱（其光线如同在棱镜下那样散发开来），在大众可见的图像里发放著耀眼的色彩。
以下一幅标志性的蒙太奇照片，显示一些著名的行星状星云，当中的行星状星云被艺术地排列成一螺旋形图案，各图像的尺寸经过调整以反映其相应的物理大小：
图片来源：欧洲太空总署 / 哈勃太空望远镜及美国太空总署、欧洲南方天文台、美国国家光学天文台 / 大学天文研究协会 / 美国国家科学基金会，并根据作者和Ivan Bojičić，以及David Frew 的意见加以修饰制作
这幅标志性的拼贴画展示了 22 个著名的行星状星云，这些星云按照各自的大概物理大小顺序，被艺术地排列成一螺旋图案。当中每个星云的大小，乃根据 Frew et al. (2016)的 SB-r 统计距离尺度计算的。该尺度可以应用于展示各种不同的表面亮度、形态结构和大小的行星状星云。最大的行星状星云之表面亮度只是最小的行星状星云之表面亮度的大约十万份之一。最大的行星状星云之宽度可达 3 秒差距。
香港大学拥有全球实力最强的其中一个行星状星云研究团队。虽然我们在过去的几年里发布过一些新闻稿，包括确定了公元 1181 年中国观测到的「客星」的光学对应物（该「客星」是过去一千年来唯一有记录而没有正确识别到来源的超新星 — 见 Ritter et al., 2021, ApJ Letters, 918, 33），这次的发现是我们历来最为奇怪的，也可能是最重要的发现。
我们的主要任务是为我们的社会提供最佳、最确切、了解最透彻的化学元素丰度的行星状星云资讯，这些行星状星云都是来自我们在银河球状星团中精心控制的样本。我们依照既定的甄选准则，从而确保我们的 ESO VLT 目标清单包含大有可能是我们银河系中央核球的物理成员并且属于 10 x 10 度中心区域内的行星状星云。选择行星状星云的标准，是准确至在天空上的投影角直径为 10 弧秒或者以下。我们已在一篇论文里展示这份很了不起的化学元素丰度目录，而该论文刚刚被一份著名的、经专业审定的期刊所收录和发表。
行星状星云是三维度的物体，但在得到相关详细的运动学资讯进行反投影之前，我们只能测量它们的投影大小和角度。
随著一份初稿论文逐渐成形之际，我的团队成员兼本论文的共著者来到我的办公室，告诉我她注意到如果只是看样本当中那些已证明有密近双中心星体的几个行星状星云的话（现阶段只有 6 个行星状星云），它们似乎在银河球状星团中呈现出一种偏好的连珠方式。尽管这一观察引人入胜，但样本数量很小。回想起我们在已确定了的样本中所有136 个行星状星云的化学元素丰度并且还有研究显示，那些有非常高的所谓「丰度差异因子」的行星状星云，根据经验，极有可能是拥有密近双中心星体的行星状星云。于是，我的团队开始在我们的样本中找出有很高的丰度差异因子的行星状星云，然后将它们加入已经存在的 6 个样本之中，然后再次观察它们的连珠情况。
这次研究又得出了另外 9 个行星状星云，使具有或很可能具有密近双中心星体的样本数目增加到 15 个，这数目足以显示更为清晰的效果。当我观察这个样本与其他样本的银道位置角度之比较图时，我们灵光一闪。决定集中研究这个样本，将它与其他样本进行比较，并尝试在类似于《天体物理学报通讯》那样的顶级期刊上发表研究结果。
我们的研究结果
我们发现，这个十分特别的行星状星云子类，当中每个行星状星云的中心都有两个星体，而这两个星体在一个短周期的双星轨道上互相环绕运行（也就是说，两个星体围绕著它们的共同质心运行，而两者之间的距离比水星与太阳的距离更接近），相当肯定，这个子类里的行星状星云形状在我们银河系的中央排列成一线。正式的统计结果是 5-sigma。这个结果被认为是显示显著性的黄金标准，该研究结果只是一个随机的变异的机会率只有大约 350 万分之一的 — 这机会率就像投掷一枚硬币 100 次，而每一次都准确地猜中得出硬币的正面一样！
这种密近轨道双星当中的一颗星体，当它喷射出其外层气体包层，成为一个行星状星云时，它正处于其演化阶段。那个双星轨道使气体的喷射方向受到限制，进而得出蝴蝶形状。
上图显示，当密近双星当中的一颗星体处于行星状星云阶段时，我们相信正在发生的情况 — 其喷射气体包层受到限制，气体流进与双星轨道平面成 90 度角的对立双极瓣里。
这些双极行星状星云有一个主要的轴和方向，而且我们可以准确地对其进行测量，如下图所示：
赤道位置角度 (EPA) 的测计。以视觉方式，确定从一个银河系中央核球行星状星云的投影二维影像测量出的方向轴，并且该轴最能代表每个行星状星云的长度对称性。左图显示一个典型的椭圆形行星状星云 M 1-20；根据哈伯太空望远镜的观察得出的长轴，该行星状星云之 EPA 测量值为 87°。右图显示我们样本当中的双极 M 1-34，以及根据甚大望远镜的观察结果测量出的 EPA 为 31°。请注意，我们要采用银河位置角度 (GPA) = EPA + ψ 的方式，将 EPA 转换为 GPA，当中 ψ 是使用球面三角形的标准关系推断出来的；有关详情请参阅论文内容。
在之前的研究中，在较低的统计显著性下，曾发现有行星状星云的连珠情况，而根据 Weidmann & Diaz, 2008, PASP, 120, 380 的报告，包括 Bryan Rees 博士于 2013 年发表的研究结果 (Rees and Zijlstra 2013, MNRAS, 435, 975)，这是最仔细评估的研究。Rees 在银河系中央核球的双极行星状星云样本当中，发现了颇强的 3-sigma 讯号，这发现足以发表他自己的新闻稿。这发现产生了影响，但未能真正激发行星状星云和更广濶的天文物理学界的兴趣。这是因为该结果与原来的预期和现有的范式相反，所以它遭到忽视。普遍认为，这些排列应该是完全随机的，因此对这类结果的认可性往往被打折扣，因为它们不符合预期。事实上，我在香港大学教授一门关于科学范式的转变以及科学在实践中的实际运作方式的课程，并采用了托马斯•库恩 (Thomas Kuhn) 的著名著作作为根据，因此对于这种社会学偏见并不感到惊讶。然而，现在我们不单确认了在统计学上极端严仅的检视之下，确认存在星体连珠的情况，而且还发现了讯号的来源。因此，理论家们现在要注意了！
去证明这种连珠现象的显著性本身就是一项重大工作，因为非一般的研究结果需要有力的证明作为支持。本文的共著者花费了大量精力进行了多项详细、妥善的统计测试和贝叶斯分析，以确保在证明我们的研究结果的显著性时，已经涵盖了所有基础。《天体物理学报通讯》甚至让其统计编辑仔细评估过我们的研究结果，之后才给予刊登。
之前 Weidmann & Diaz (2008) 所报告的微弱连珠讯号，甚至 Rees & Zijlstra (2013) 就其双极样本报告的较强连珠显著性都被稀释了。在我们的研究里，实际的讯号完全来自短周期成双行星状星云的一个非常具体但规模相对较小的子样本。一旦将这个样本从研究的整体样本中移除，讯号就会消失。这是我们的主要发现。
我们的结果显示，有一个持久的恒定过程影响了银河系中央的这个特定的行星状星云子集。这项发现很是瞩目，但是难以解释。
我们认为，那双星是在一强磁场中形成的，该磁场影响著双星轨道的轴线，进而影响著双极行星状星云在形成过程中的喷射方向。但是，这个磁场相比双星轨道形成时对其产生影响所需的磁场，前者的测量强度只是后者的三分之一。唯一的可能是有一种普遍存在的力量（可能是磁力？），当前只在有短周期双星的行星状星云的双极波瓣喷射机制之下运作，而其强度足以在短短几千年内，将整个银河系中央核球的各个银河位置角度连珠起来。
进一步的研究还是需要的，但我们扎实、不平凡的发现结果已经提供了重要的证据，证明有一种持久的、有组织的过程，在数以十亿年计的时间和辽阔的距离之内，影响了星体以及它们最终的行星状星云之形成和演化。当中涉及在广阔无边的时间里，从远距离进行著幽灵般悄然的行动。
这是我们的样本里就所有行星状星云测量的银河位置角度 (GPA) 之分布情况。灰色的符号代表一般样本；具有经确定的双中心星体的行星状星云以蓝色向量显示，而那些具有高度的丰度差异因子的行星状星云则以粉红色向量显示（丰度差异因子被视为有短周期的双星的行星状星云之可靠代表）。疑似存在短周期双星的 M 1-34 以绿色向量标示。每个行星状星云的常用名称标示在每个蓝色、粉红色或绿色向量之下方。
作者：
香港大学太空实验室总监及物理系教授 柏坤霆教授
香港大学太空实验室研究助理 谭舒宇小姐
2023年12月