張軒中

2017年10月13日，記者專訪了“天籟計(jì)劃”首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員陳學(xué)雷。

為什么選擇天文道路？

陳學(xué)雷是北京人，因?yàn)楦咧袝r(shí)期“對(duì)物理很感興趣，所以決定學(xué)物理”。他在復(fù)旦大學(xué)物理系讀了本科，“當(dāng)時(shí)很想離開北京一段時(shí)間，所以去了上?！薄?/p>

大學(xué)畢業(yè)以后，他回到北京大學(xué)物理系讀了碩士研究生，隨后出國(guó)到哥倫比亞大學(xué)攻讀博士學(xué)位。“博士階段一開始是想跟導(dǎo)師做超對(duì)稱暗物質(zhì)進(jìn)而轉(zhuǎn)入宇宙學(xué)研究，后來慢慢做得越來越偏天文學(xué)?！?/p>

1999年，陳學(xué)雷哥倫比亞大學(xué)物理系博士畢業(yè)，其先后在俄亥俄州立大學(xué)物理系、加州大學(xué)圣芭芭拉分校理論物理研究所工作，2004年底回國(guó)入選中科院百人計(jì)劃，獲得國(guó)家杰出青年科學(xué)基金，現(xiàn)為國(guó)家天文臺(tái)宇宙暗物質(zhì)與暗能量研究團(tuán)組首席科學(xué)家。

陳學(xué)雷做了天文以后發(fā)現(xiàn)天文學(xué)有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)：在天文領(lǐng)域可以既做理論又做實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。天文學(xué)里面的分工還沒有像高能物理等領(lǐng)域分得那么細(xì)，在那些領(lǐng)域，理論與實(shí)驗(yàn)是截然不同的，一個(gè)人要么做理論要么做實(shí)驗(yàn)，很難兩者兼顧。而在天文領(lǐng)域既可以做理論也可以做實(shí)驗(yàn)，這也是陳學(xué)雷后來覺得天文很有意思的一個(gè)地方。

提出“天籟計(jì)劃”

陳學(xué)雷后來提出了一個(gè)天文觀測(cè)的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，這個(gè)計(jì)劃得到了國(guó)家863項(xiàng)目的支持，陳學(xué)雷擔(dān)任這個(gè)項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。這個(gè)項(xiàng)目被取名叫“天籟計(jì)劃”。

陳學(xué)雷告訴記者，天籟計(jì)劃的“籟”字泛指“聲音”，“天籟”就是“宇宙的聲音”。

天籟計(jì)劃建在新疆東部的哈密地區(qū)巴里坤縣大紅柳峽鄉(xiāng)，這個(gè)觀測(cè)站的名字叫國(guó)家天文臺(tái)紅柳峽觀測(cè)站。

天籟計(jì)劃項(xiàng)目在2012年啟動(dòng)，在2015年年底建成，在最近2年時(shí)間內(nèi)進(jìn)行了調(diào)試，在2016年年底通過了課題的驗(yàn)收，在2017年10月通過了863項(xiàng)目驗(yàn)收。

“天籟計(jì)劃”的科學(xué)目標(biāo)

天籟計(jì)劃的科學(xué)目標(biāo)是觀測(cè)宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)。宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)指的是物質(zhì)在宇宙空間中的分布。簡(jiǎn)單地說，就是要觀測(cè)星系在空間的分布。

陳學(xué)雷告訴記者，在宇宙空間上的物質(zhì)分布看起來好像是隨機(jī)的，但是如果把空間尺度分解成不同的波長(zhǎng)來看，則這里面是有一些特征的—這種按照波長(zhǎng)來分解物質(zhì)的密度分布被稱為傅里葉分解，功率譜就是這些不同波長(zhǎng)的波的強(qiáng)度分布。這就好像世上所有的音樂，都可以通過電子手段把不同的頻率的中高低音合成出來一樣，也類似于三棱鏡對(duì)太陽光的分解—分解成七色彩虹。

陳學(xué)雷說：“把空間分解成不同的波長(zhǎng)，這里說的波長(zhǎng)其實(shí)是一種長(zhǎng)度，也是空間的一些特征尺度，比如說1萬光年、10萬光年、1000萬光年……按照這些有規(guī)律特征距離來研究物質(zhì)的分布。”

如何巡天？

陳學(xué)雷說：“天籟計(jì)劃好像是造一個(gè)傾聽宇宙聲音的收音機(jī)。這個(gè)收音機(jī)其實(shí)也是一個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡，隨著地球的自轉(zhuǎn)，我們的望遠(yuǎn)鏡就可以把天空掃一遍，這就是巡天。我們基本上可以測(cè)到北半球天空上的射電信號(hào)。”

天籟計(jì)劃一共有兩套天線，其中一套是柱形天線，這套天線在南北方向長(zhǎng)，在東西方向則短一些，像一個(gè)拋物線的形狀。另外一套天線是碟形天線，就是我們比較常見的鍋的樣子。

目前，天籟計(jì)劃取得的觀測(cè)數(shù)據(jù)正在分析之中。因?yàn)檫@個(gè)數(shù)據(jù)量很大，陳學(xué)雷與項(xiàng)目組正在研究“如何用有限的資源把這個(gè)數(shù)據(jù)分析出來，這看上去是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)！也許要靠云計(jì)算這樣的新的科學(xué)方式來解決這個(gè)問題”。

與FAST的區(qū)別

最近，位于貴州的500米口徑射電望遠(yuǎn)鏡FAST發(fā)現(xiàn)了一組新的脈沖星，這引起了國(guó)內(nèi)外的很多關(guān)注。

陳學(xué)雷告訴記者，在建設(shè)FAST之前，當(dāng)時(shí)國(guó)際上討論建設(shè)更大的射電望遠(yuǎn)鏡到底應(yīng)該怎么實(shí)現(xiàn)。大家有兩種思路：一種是做小射電望遠(yuǎn)鏡組成的陣列—就好像很多士兵組成一支軍隊(duì)一樣，國(guó)際上提出了要做總面積是1平方公里的陣列（SKA）；另一個(gè)思路是由比較少數(shù)比較大的望遠(yuǎn)鏡組成陣列。經(jīng)過一番討論，最后SKA是用幾千個(gè)小的射電望遠(yuǎn)鏡來組成一個(gè)陣列（第一階段計(jì)劃分別在澳大利亞和南非建造由幾百個(gè)單元組成的低頻和中頻射電望遠(yuǎn)鏡）。中國(guó)則建成一個(gè)大口徑的單天線射電望遠(yuǎn)鏡，這就是FAST的來歷。FAST是一個(gè)綜合性的望遠(yuǎn)鏡，它可以做很多方面的研究，比如脈沖星的研究，也可以做中性氫的研究。

陳學(xué)雷說：“實(shí)際上我提出天籟計(jì)劃的想法也起源于當(dāng)時(shí)剛開始討論FAST科學(xué)目標(biāo)的時(shí)候，當(dāng)時(shí)南仁東先生邀請(qǐng)我?guī)兔ο胍幌翭AST宇宙學(xué)方面的科學(xué)目標(biāo)，于是我想到了用FAST來做宇宙學(xué)的重子聲波振蕩。但當(dāng)時(shí)一想，就發(fā)現(xiàn)遇到一個(gè)問題。FAST的望遠(yuǎn)鏡是單天線的，它比較大，它看近處的星系的時(shí)候是一個(gè)一個(gè)分開的，但它看遠(yuǎn)處的星系的時(shí)候是混在一起的，在想這個(gè)問題的時(shí)候我意識(shí)到，我們不用擔(dān)心看遠(yuǎn)處星系的時(shí)候混在一起（因?yàn)樯潆姷牟ㄩL(zhǎng)很長(zhǎng)，它的空間分辨率比較低），混在一起并不要緊，因?yàn)槟愀信d趣的不是單個(gè)星系，你感興趣的是一個(gè)區(qū)域里面總共有多少個(gè)星系—因?yàn)槲覀円獪y(cè)宇宙的密度。后來我就在學(xué)術(shù)會(huì)議上報(bào)告了我的這個(gè)基本思想—用射電的方法去觀測(cè)宇宙，這種方法叫做強(qiáng)度映射方法。這種方法所需要的射電望遠(yuǎn)鏡可大可小，F(xiàn)AST也可以做這個(gè)事情，但FAST的口徑太大，它的視場(chǎng)比較小。FAST好像一個(gè)長(zhǎng)焦鏡頭，能看到的天空的面積反而小了。所以用FAST去巡天就比較費(fèi)時(shí)間，如果想要盡快把全天空看一遍，則應(yīng)該用口徑小一些的射電望遠(yuǎn)鏡。所以國(guó)際上當(dāng)時(shí)有一批人就提議做這個(gè)事情，本來我是做理論工作，后來因?yàn)闆]在國(guó)內(nèi)找到做這方面實(shí)驗(yàn)的人，于是我就沖到了前臺(tái)，去申請(qǐng)這個(gè)項(xiàng)目（天籟計(jì)劃），做起了實(shí)驗(yàn)?！?/p>

因此，與FAST相比，天籟計(jì)劃的望遠(yuǎn)鏡看到的天空面積比較大。

以后可以測(cè)暗能量

天籟計(jì)劃現(xiàn)在還沒有測(cè)暗能量，因?yàn)榘的芰恳鸬男Ч怯钪娴募铀倥蛎洝?duì)于天籟計(jì)劃來說，這其實(shí)是要測(cè)量銀河系外很遠(yuǎn)處的21厘米譜線（這些譜線是宇宙中的中性氫發(fā)出來的，而中性氫占了宇宙中正常物質(zhì)的絕大部分，所以具有代表性）。但實(shí)際上全球包括天籟計(jì)劃在內(nèi)的射電望遠(yuǎn)鏡都還沒有測(cè)到遙遠(yuǎn)的宇宙距離尺度的21厘米射電信號(hào)。為什么會(huì)這樣？因?yàn)殂y河系本身的亮度太高。這就好像白天要看星星，因?yàn)樘柟馓?，所以看不見星星（雖然我們眼睛的靈敏度是夠的）。

陳學(xué)雷介紹，目前天籟計(jì)劃的射電望遠(yuǎn)鏡其實(shí)是一個(gè)口徑40米的陣，第一步是爭(zhēng)取探測(cè)到宇宙距離的中性氫。而暗能量的探測(cè)需要口徑100米的射電望遠(yuǎn)鏡陣列。所以，探測(cè)暗能量是取得第一步成功后下一步的事情。最近幾年，天籟計(jì)劃的望遠(yuǎn)鏡也可以看到快速射電暴，因?yàn)榭焖偕潆姳┦请S機(jī)發(fā)生的，需要很大的巡天面積，這是天籟計(jì)劃望遠(yuǎn)鏡具備的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

訪談到了尾聲，陳學(xué)雷說，做研究“板凳要坐10年冷”，大家都在說要勇于探索不怕失敗，但是這往往只是一個(gè)口號(hào)，尤其是大家都不敢正視科學(xué)研究中的失敗。實(shí)際上，科學(xué)探索的實(shí)驗(yàn)總有失敗風(fēng)險(xiǎn)，這是我們需要正面面對(duì)的問題。我們中國(guó)的科學(xué)文化有點(diǎn)太偏于追求成功，而不敢做有風(fēng)險(xiǎn)的科學(xué)探索，這是亟待改變的現(xiàn)象。因此，中國(guó)需要有一些科學(xué)上的探索項(xiàng)目，而且也應(yīng)該允許失敗，只要能從中學(xué)到東西、做出改進(jìn)，失敗也并不是沒有價(jià)值的。雖然現(xiàn)在人們還沒有探測(cè)到宇宙深處的21厘米譜線，但只要堅(jiān)持下去，總有一天我們會(huì)探測(cè)到21厘米譜線，更清楚地了解暗能量的本質(zhì)，解開暗能量之謎。

（本文轉(zhuǎn)自蝌蚪五線譜）endprint