余聰，中國科學(xué)院云南天文臺(tái)副研究員，博士。2003年在香港科技大學(xué)作訪問學(xué)者；2007年至2010年在美國LosAlamos國家實(shí)驗(yàn)室攻讀博士后；2011年至2012年在美國Cornell大學(xué)天文系作訪問學(xué)者；2012年被評(píng)為第十批昆明市中青年學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人；2012年入選中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)。

“天文學(xué)有很多漂亮的圖片和動(dòng)畫視頻，Hubble太空望遠(yuǎn)鏡能夠望見的各種天體如行星、恒星、星團(tuán)、星系，甚至整個(gè)宇宙的精美圖片，這些圖片非常令人著迷。”中國科學(xué)院云南天文臺(tái)余聰博士談到與天文學(xué)結(jié)緣的初衷時(shí)這樣說，“天文學(xué)是利用物理的基本原理來解釋宇宙中發(fā)生的各種現(xiàn)象，天文研究經(jīng)常需要處理大量枯燥的數(shù)據(jù)，但是通過數(shù)據(jù)我們可以看到現(xiàn)象背后蘊(yùn)藏的物理規(guī)律，為天文現(xiàn)象提供合理物理的解釋，這對(duì)研究人員來說是一種享受?！?/p>

也許，正是懷著這樣簡(jiǎn)單的情結(jié)、樸素的感動(dòng)，余聰博士不斷學(xué)習(xí)深造，并集中精力在利用大規(guī)模并行計(jì)算機(jī)進(jìn)行天體物理流體和磁流體動(dòng)力學(xué)過程的數(shù)值模擬研究中取得一系列進(jìn)展。

上篇：神奇的磁流體數(shù)值模擬

據(jù)余聰博士介紹，天體物理中的很多現(xiàn)象（譬如星體猛烈的爆發(fā)等）都是強(qiáng)烈的非線性過程，這些現(xiàn)象大都可以由一組高度非線性的磁流體動(dòng)力學(xué)方程來描述。但是由于這組方程極為復(fù)雜，通常的解析處理方法一般只能在很簡(jiǎn)單的假設(shè)下求解這組方程，進(jìn)而獲得對(duì)天體現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。而現(xiàn)代天體物理研究已不滿足于這些簡(jiǎn)單的假設(shè)，通常的解析方法已不奏效。磁流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬則從第一性原理出發(fā)，直接求解這組非線性方程，避免了人為的簡(jiǎn)化假設(shè)?！斑@樣，磁流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬克服了解析方法帶來的局限性，在天體物理研究中扮演越來越重要的角色。”余聰博士說。天體物理涉及的空間和時(shí)間尺度跨度極大，數(shù)值模擬涉及的計(jì)算量極大，因此作為獨(dú)立于理論和實(shí)驗(yàn)的第三大研究手段——大規(guī)模并行計(jì)算，在天體物理研究中找到了其用武之地。磁流體數(shù)值模擬的研究對(duì)象極為廣泛，目前這種方法已滲入到天體物理研究的方方面面，大到整個(gè)宇宙的宇宙學(xué)研究，小到行星形成的研究，它都發(fā)揮著極其重要的作用。

“磁流體天體物理數(shù)值模擬研究由于跨越物理、計(jì)算、數(shù)學(xué)等多個(gè)學(xué)科，掌握起來比較復(fù)雜。不過目前我們已經(jīng)具有獨(dú)立開展此項(xiàng)研究的能力?！庇嗦敳┦空f。

余聰博士的研究側(cè)重于目前十分活躍的行星形成領(lǐng)域。2007年以來，他主持了相關(guān)的國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“原行星和吸積盤相互作用磁流體數(shù)值模擬”和中科院“西部之光”項(xiàng)目“漩渦對(duì)原行星吸積盤中Ⅰ型遷移的影響”?！靶行窍到y(tǒng)的形成和演化是天體物理中一個(gè)很基礎(chǔ)而又引人入勝的課題，特別是自從1992年在PSRI 257+12附近發(fā)現(xiàn)地球大小的行星和1995年在主序恒星51 Peg附近發(fā)現(xiàn)行星后，太陽系外行星系統(tǒng)的研究成為國際天文界的熱點(diǎn)前沿領(lǐng)域。”余聰博士介紹到，“現(xiàn)在通過引力透鏡，借助Doppler效應(yīng)測(cè)恒星的視向速度，借助天體測(cè)量方法測(cè)恒星的運(yùn)動(dòng)軌跡以及掩星方法，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大約幾百顆地外行星。人們現(xiàn)在普遍認(rèn)為行星形成大致經(jīng)歷如下四個(gè)階段：1）氣體凝結(jié)形成尺度約為1公里-10公里的物質(zhì)（星子），時(shí)標(biāo)大致為100至10000年；2）星子碰撞，聚合形成1000公里左右的行星胚胎（類地行星或類木行星核），時(shí)標(biāo)約為10萬至1百萬年；3）氣體盤與原行星相互作用并吸積周圍氣體，形成類木行星；4）氣體盤消失，原行星與殘留物相互作用，演化至目前的狀態(tài)。”

然而，余聰博士也說，盡管這些與觀測(cè)符合得不錯(cuò)，但仍有一些關(guān)鍵性的問題需要解決。例如最近的觀測(cè)顯示，地外行星系統(tǒng)和太陽系相比，有很多不同之處，比如這些巨行星多數(shù)具有小軌道半長(zhǎng)徑，并且具有較高的偏心率和較短的軌道周期等。在通常的行星形成理論中這些巨行星不太可能在很靠近恒星的地方形成。首先在很靠近中央恒星的地方固體物質(zhì)很少，很難形成這些巨行星的固態(tài)內(nèi)核，其次在那里的氣體也太少，不可能形成這些巨行星的氣態(tài)外殼。人們認(rèn)為是這些在遠(yuǎn)處形成的小質(zhì)量行星在向內(nèi)遷移的過程中通過吸積逐漸形成了人們現(xiàn)在觀測(cè)到的這些巨行星?！斑@些問題激發(fā)了人們研究行星遷移過程的強(qiáng)烈興趣?！庇嗦敳┦空f。

中篇：兩類行星的遷移

研究行星的遷移過程更是余聰博士的興趣所在，據(jù)他介紹，氣體吸積盤和原行星之間的潮汐相互作用會(huì)引起兩類遷移過程：Ⅰ型和Ⅱ型遷移。Ⅰ型遷移是原行星質(zhì)量還比較小時(shí)，原行星還不足以在氣體盤中形成密度間隙。Ⅱ型遷移時(shí)原行星質(zhì)量足夠大時(shí)，原行星在氣體盤中形成了密度間隙后產(chǎn)生的一類遷移。通過解析研究，人們發(fā)現(xiàn)在Lindblad共振處會(huì)激發(fā)漩渦密度波。密度波會(huì)攜帶盤的角動(dòng)量到密度波衰減的地方并通過這種方式傳遞吸積盤和原行星之間的角動(dòng)量。其最終結(jié)果是行星外部的氣體盤對(duì)原行星施加一個(gè)負(fù)的力矩，內(nèi)盤施加一個(gè)正的力矩。通常是外盤施加的負(fù)的力矩占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致行星的軌道半長(zhǎng)徑減小，這就是行星遷移的物理機(jī)制目前關(guān)于行星Ⅰ型遷移存在一個(gè)嚴(yán)重的挑戰(zhàn)：Ⅰ型遷移時(shí)標(biāo)太短（小于巨行星氣體吸積時(shí)標(biāo)），這意味著小質(zhì)量行星還沒有來得及生長(zhǎng)成為巨行星就已經(jīng)在氣體盤內(nèi)快速遷移至中央恒星，這將非常不利于巨行星的形成。但是以上結(jié)論是用線性解析方法研究得到的結(jié)果?！扒懊嫣岬浇馕龇椒ù嬖谌藶榧僭O(shè)所帶來的局限性，在這個(gè)具體問題中就是假設(shè)了盤的密度不會(huì)被小質(zhì)量行星改變，這顯然是不太合理的假設(shè)。因此解析方法來研究這個(gè)問題已經(jīng)不能滿足我們的要求了?！庇嗦敳┦空f，“目前國外已經(jīng)開展了利用大規(guī)模的流體及磁流體數(shù)值模擬研究行星和原恒星盤的潮汐相互作用，并取得了極大的成功。而我國在這方面的研究還比較少?！?/p>

在對(duì)行星形成時(shí)的早期遷移階段進(jìn)行更深入和細(xì)致的研究中，余聰博士發(fā)現(xiàn)一個(gè)理想的方法，就是對(duì)行星遷移過程中的非線性動(dòng)力學(xué)相互作用利用數(shù)值模擬進(jìn)行直接的研究，應(yīng)用大規(guī)模數(shù)值模擬來研究行星和吸積盤的相互作用，特別是Ⅰ型行星遷移過程。行星Ⅰ型遷移的一個(gè)主要問題是理論估計(jì)的遷移時(shí)標(biāo)太短，余聰?shù)热说难芯刻峁┝艘环N解決遷移時(shí)標(biāo)太短的新思路：如果氣體盤的粘性足夠小，激波耗散會(huì)使遷移時(shí)標(biāo)增大，遷移變慢后從而使小質(zhì)量行星有足夠的時(shí)間長(zhǎng)大形成。他們的模擬工作著重研究盤的粘性很小的情形，此時(shí)激波耗散將主導(dǎo)粘性耗散，行星遷移時(shí)標(biāo)將大于理論估計(jì)的時(shí)標(biāo)，這將有助于行星的形成。目前該方面余聰博士以第一作者身份已發(fā)表國際知名期刊SCI論文11篇。發(fā)表的論文得到國際同行的高度評(píng)價(jià)和認(rèn)可。

余聰博士說，他們過去研究的都是一顆行星和氣體吸積盤之間的相互作用，目前正在研究多顆行星在氣體盤內(nèi)遷移，當(dāng)幾顆行星同時(shí)在吸積盤內(nèi)遷移時(shí)，它們彼此之間的相互作用會(huì)對(duì)軌道半長(zhǎng)徑、軌道偏心率等產(chǎn)生可觀的影響?！拔覀兿乱徊骄蛯⒃敿?xì)研究多顆行星相互作用對(duì)軌道半長(zhǎng)徑，軌道偏心率等物理量的影響，并且和當(dāng)前豐富的觀測(cè)資料比對(duì)，進(jìn)一步加深人們對(duì)行星形成時(shí)行星遷移過程的理解與認(rèn)識(shí)?！庇嗦敳┦空f，“在研究過程中我們計(jì)劃和國內(nèi)外的天體物理研究機(jī)構(gòu)開展廣泛的天體物理合作研究。目的是在國內(nèi)培養(yǎng)天體物理磁流體數(shù)值模擬方面的專門人才，為這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展壯大貢獻(xiàn)力量。”

下篇：天文學(xué)家的心路

除了科研工作，余聰博士也向記者介紹了他的求學(xué)經(jīng)歷和作為一名天文學(xué)者的心路歷程。

記者：在您早期的求學(xué)過程中，有哪些環(huán)境培養(yǎng)了您在科研上的素質(zhì)和能力？

余聰博士：我的父親從小就非常鼓勵(lì)我獨(dú)立思考，他采用啟發(fā)式的教育，并不是告訴我現(xiàn)成的結(jié)果，而是引導(dǎo)我學(xué)會(huì)思考問題的方法。雖然隨著后來課程的深入，父親已經(jīng)不能再輔導(dǎo)我了，但是思維方法的訓(xùn)練讓我受益終生。此外，中學(xué)的物理老師對(duì)我也有很大幫助。到大學(xué)和研究生階段，更是印證了“師傅領(lǐng)進(jìn)門，修行在個(gè)人”這句話，學(xué)習(xí)上需要有自學(xué)和自控能力，而在中學(xué)時(shí)期培養(yǎng)形成的自學(xué)和自控能力對(duì)我的大學(xué)和研究生階段的學(xué)習(xí)有著巨大的幫助。

記者：在您的求學(xué)成長(zhǎng)中，有沒有一些對(duì)您影響深刻的人和事？

余聰博士：首先應(yīng)該感謝我的博士導(dǎo)師，他為我創(chuàng)造了寬松的研究環(huán)境，鼓勵(lì)我在學(xué)術(shù)道路上獨(dú)立思考。有一教授對(duì)我影響很大，就是有一次在西雙版納的會(huì)議上認(rèn)識(shí)了一位清華大學(xué)的教授，在會(huì)上我們討論了不少關(guān)于恒星形成動(dòng)力學(xué)的問題，很大地加深了我對(duì)所研究領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)和理解，此后又有機(jī)會(huì)到清華大學(xué)天體物理中心進(jìn)行了訪問；后來這位教授還推薦我到美國的LosAlamos國家實(shí)驗(yàn)室從事天體物理研究工作，這對(duì)我的研究生涯起到重要作用。

記者：在從事天文研究的工作中，您是怎樣看待交流合作的？

余聰博士：天文學(xué)是個(gè)需要綜合利用物理、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)等多個(gè)學(xué)科知識(shí)進(jìn)行研究的學(xué)科，個(gè)人的力量終究有限，要和不同學(xué)術(shù)背景的老師和同學(xué)多交流，才能增長(zhǎng)才干。好在我遇到了很多很好的老師和朋友，沒有這些老師和朋友的幫助，我也不能很好的完成這些項(xiàng)目課題。在不同的研究課題中，通過與不同專長(zhǎng)的老師討論，讓我極大地?cái)U(kuò)大了知識(shí)面。我從現(xiàn)在所在的研究團(tuán)組也學(xué)到了很多，特別是從我們組首席科學(xué)家那里，學(xué)習(xí)到如何和整個(gè)團(tuán)隊(duì)一起合作。

記者：回首過去，在科研工作中您經(jīng)歷了哪些挑戰(zhàn)？又是如何克服的？

余聰博士：剛到美國Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室的時(shí)候，從事的是一項(xiàng)和我博士階段不同的、全新的工作，從文獻(xiàn)的調(diào)研、研究所的工具（超級(jí)計(jì)算機(jī)）使用，到適應(yīng)當(dāng)?shù)氐纳詈蛯W(xué)術(shù)氛圍，這些對(duì)我來說都是挑戰(zhàn)。不過雖然過程很辛苦，但每天都覺得有收獲，也充滿了樂趣。

記者：您目前主持哪些項(xiàng)目課題？

余聰博士：磁流體數(shù)值模擬在天體物理應(yīng)用非常廣泛，除了行星形成研究外，我對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)下的中子星的爆發(fā)也很感興趣。目前還主持了一個(gè)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“超強(qiáng)磁場(chǎng)中子星（磁星）的儲(chǔ)能及爆發(fā)的理論和數(shù)值模擬研究”和一項(xiàng)云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目“超強(qiáng)磁場(chǎng)中子星爆發(fā)的理論研究”。

記者：從事天文研究數(shù)年來，您有哪些體會(huì)和心得？

余聰博士：現(xiàn)在天文學(xué)中計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬和可視化技術(shù)的使用也讓很多物理過程變得直觀和容易理解了，很多紛繁復(fù)雜的天文現(xiàn)象可以用很簡(jiǎn)單的物理理論加以解釋，這對(duì)學(xué)習(xí)物理的人也是很有吸引力的。

我覺得作為一名科研學(xué)者，應(yīng)該始終保持一顆開放的心態(tài)，因?yàn)榭偸怯行碌默F(xiàn)象被觀察到，需要找到合理的解釋。因此，應(yīng)該保持一種終生學(xué)習(xí)的心態(tài)，只有不斷地學(xué)習(xí)，拓寬視野，才能正確地從多個(gè)視角看待問題，并能夠把握問題的核心和關(guān)鍵所在，然后集中力量，進(jìn)行深入研究。