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?!?。
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?!安┦侩A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)。”
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(yáng)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(wàn)光年、10萬(wàn)光年、1000萬(wàn)光年……按照這些有規(guī)律特征距離來研究物質(zhì)的分布?!?/p>
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)?!?/p>
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)。”
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?。?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?yáng)光太亮,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