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陈学雷:天籁计划首席科学家

来源:蝌蚪五线谱 2017-10-24     

  2017年10月13日,北京,中国科学院国家天文台。蝌蚪五线谱网站独家专访了“天籁计划”首席科学家、国家天文台研究员陈学雷。

  为什么选择天文道路?

  陈学雷是北京人,高中毕业时因为“对物理很感兴趣,所以决定学物理”。他在复旦大学物理系读了本科,“当时很想离开北京一段时间,所以去了上海”。

  大学毕业以后,他回到北京大学物理系读了硕士研究生,随后出国到哥伦比亚大学攻读博士学位。“博士阶段一开始是想跟导师做超对称暗物质进而转入宇宙学研究,后来慢慢做得越来越偏天文学”。

  陈学雷1999年哥伦比亚大学物理系博士毕业,先后在俄亥俄州立大学物理系、加州大学圣芭芭拉分校理论物理研究所工作,2004年底回国入选中科院百人计划,获得国家杰出青年科学基金,现为国家天文台宇宙暗物质与暗能量研究团组首席科学家。

  陈学雷做了天文以后发现天文学有一个很大的优点,因为在天文领域可以既做理论又做实验观测。天文学里面的分工还没有像高能物理等领域分得那么细——在那些领域,理论与实验是截然不同的,一个人要么做理论要么做实验,很难两者兼顾。正因为在天文领域既可以做理论也可以做实验,这也是陈学雷后来觉得天文很有意思的一个地方。

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  陈学雷在国家天文台(张轩中/摄)

  提出“天籁计划”

  陈学雷后来提出了一个天文观测的实验计划,这个计划得到了国家863项目的支持,陈学雷担任这个项目的负责人。这个项目被取名叫“天籁计划”。

  陈学雷告诉蝌蚪五线谱,天籁计划的“籁”字泛指“声音”,“天籁”就是“宇宙的声音”。

  天籁计划建在新疆东部的哈密地区巴里坤县大红柳峡乡。这个观测站的名字叫国家天文台红柳峡观测站。

  天籁计划项目在2012年启动,在2015年年底建成,在最近2年时间内进行了调试,在2016年年底通过了课题的验收,在2017年10月通过了863项目验收。

  “天籁计划”的科学目标

  天籁计划的科学目标是观测宇宙的大尺度结构。宇宙的大尺度结构指的是物质在宇宙空间中的分布。简单的说,这就是要观测星系在空间的分布。

  陈学雷告诉蝌蚪五线谱,在宇宙空间上的物质分布看起来好像是随机的,但是如果把空间尺度分解成不同的波长来看,则这里面是有一些特征的——这种按照波长来分解物质的密度分布被称为傅里叶分解。功率谱就是这些不同波长的波的强度分布。这就好像世上所有的音乐,都可以通过电子手段把不同的频率的中高低音合成出来一样,也类似于三棱镜对太阳光的分解——分解成七色彩虹。

  陈学雷说:“把空间分解成不同的波长,这里说的波长其实是一种长度,也是空间的一些特征尺度,比如说1万光年、10万光年、1000万光年……按照这些有规律特征距离来研究物质的分布。“

  如何巡天?

  陈学雷说:”天籁计划好像是造一个倾听宇宙声音的收音机。这个收音机其实也是一个射电望远镜,随着地球的自转,我们的望远镜就可以把天空扫一遍,这就是巡天。我们基本上可以测到北半球天空上的射电信号。“

  天籁计划一共有两套天线,其中一套是柱形天线,这套天线在南北方向长,在东西方向则短一些——像一个抛物线的形状。另外一套天线是碟形天线,就是我们比较常见的锅的样子。

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  天籁柱形天线(右)和碟形天线(左)

  目前,天籁计划取得的观测数据正在分析之中。因为这个数据量很大,陈学雷与项目组正在研究”如何用有限的资源把这个数据分析出来,这看上去是一个很大的挑战!也许要靠云计算这样的新的科学方式来解决这个问题。“

  与FAST的区别

  最近,位于贵州的500米口径射电望远镜FAST发现了一组新的脉冲星,这引起了国内外的很多关注。

  陈学雷告诉蝌蚪五线谱,在建设FAST之前,当时国际上讨论建设更大的射电望远镜到底应该怎么实现。大家有两种思路,一种是做小射电望远镜组成的阵列——就好像很多士兵组成一支军队一样,国际上提出了要做总面积是1平方公里的阵列(SKA),另一个思路是由比较少数比较大的望远镜组成阵列,经过一番讨论,最后SKA是用几千个小的射电望远镜来组成一个阵列(第一阶段计划分别在澳大利亚和南非建造由几百个单元组成的低频和中频射电望远镜)。中国则建成一个大口径的单天线射电望远镜,这就是FAST的来历。FAST是一个综合性的望远镜,它可以做很多方面的研究,比如脉冲星的研究,也可以做中性氢的研究。

  陈学雷说:“实际上我提出天籁计划的想法也起源于当时刚开始讨论FAST科学目标的时候,当时南仁东先生邀请我帮忙想一下FAST宇宙学方面的科学目标,于是我想到了用FAST来做宇宙学的重子声波振荡。但当时一想呢,就发现遇到一个问题。FAST的望远镜是单天线的,它比较大,它看近处的星系的时候是一个一个分开的,但它看远处的星系的时候是混在一起的,在想这个问题的时候我意识到,我们不用担心看远处星系的时候混在一起(因为射电的波长很长,它的空间分辨率比较低),混在一起并不要紧,因为你感兴趣的不是单个星系,你感兴趣的是一个区域里面总共有多少个星系——因为我们要测宇宙的密度。后来我就在学术会议上报告了我的这个基本思想——用射电的方法去观测宇宙,这种方法叫做强度映射方法。这种方法所需要的射电望远镜可大可小,FAST也可以做这个事情,但FAST的口径太大,它的视场比较小。FAST好像一个长焦镜头,能看到的天空的面积反而小了。所以用FAST去巡天就比较费时间,如果想要尽快把全天空看一遍,则应该用口径小一些的射电望远镜。所以国际上当时有一批人就提议做这个事情,本来我是做理论工作,后来因为没在国内找到做这方面实验的人,于是我就冲到了前台,去申请这个项目(天籁计划),做起了实验。”

  因此,与FAST相比,天籁计划的望远镜看到的天空面积比较大。

  以后可以测暗能量

  天籁计划现在还没有测暗能量,因为暗能量引起的效果是宇宙的加速膨胀。对于天籁计划来说,这其实是要测量银河系外很远处的21厘米谱线(这些谱线是宇宙中的中性氢发出来的,而中性氢占了宇宙中正常物质的绝大部分,所以具有代表性)。但实际上全球包括天籁计划在内的射电望远镜都还没有测到遥远的宇宙距离尺度的21cm射电信号。为什么会这样?这是因为银河系本身的亮度太高。这就好像白天要看星星,因为太阳光太亮,所以看不见星星(虽然我们眼睛的灵敏度是够的)。

  陈学雷告诉蝌蚪五线谱,目前天籁计划的射电望远镜其实是一个口径40米的阵,第一步是争取探测到宇宙距离的中性氢。而暗能量的探测需要口径100米的射电望远镜阵列。所以,探测暗能量是取得第一步成功后下一步的事情。最近几年,天籁计划的望远镜也可以看到快速射电暴,因为快速射电暴是随机发生的,需要很大的巡天面积,这个是天籁计划望远镜具备的技术优势。

  访谈到了尾声,陈学雷说,做研究“板凳要坐10年冷”,大家都在说要勇于探索不怕失败,但是这往往只是一个口号,尤其是大家都不敢正视科学研究中的失败。在实际上,科学探索的实验总有失败风险,这是我们需要正面面对的问题。我们中国的科学的文化有点太偏于追求成功,而不敢做有风险的科学探索,这是亟待改变的现象。因此,中国需要有一些科学上的探索项目,而且也应该允许失败,只要能从中学到东西、做出改进,失败也并不是没有价值的。虽然现在人们还没有探测到宇宙深处的21厘米谱线,但只要坚持下去,总有一天我们会探测到21cm谱线,更清楚地了解暗能量的本质,解开暗能量之谜。

  本篇采写 蝌蚪五线谱 张轩中

[责任编辑:李阳阳]