清華天文系正在青海造“眼”巡天,那裡有你絕沒見過的星空!


“遂古之初,誰傳道之?上下未形,何由考之?”屈原的《天問》流傳了兩千餘年,不同時代的人都曾嘗試破題。

當下,一批科研工作者正在努力給出“標準答案”。清華大學天文系副教授蔡崢就是其中一員。今年9月底,蔡崢團隊釋出了階段性研究新成果,揭祕宇宙重元素來源之謎,對研究宇宙早期星系的形成、星系後續的演化乃至生命的起源都具有意義。

未來七八年間,蔡崢團隊參與建設的世界最大且急需的寬視場光譜巡天望遠鏡(MUST)有望啟用,將浩渺宇宙以一種前所未有的清晰度呈現在我們面前。

到那時,科普小說裡浪漫的描述,或將成為現實——“我們抬頭看時,總覺得星星遙遠。但其實宇宙大爆炸時形成的原子,就是形成我們身體的原子。所以,星星並不遠,因為我們就是星星本身。”


蔡崢團隊利用國際最大的亞毫米波望遠鏡阿爾瑪陣列(ALMA陣列)揭祕宇宙重元素來源之謎

寰宇尋真

在宇宙中,絕大部分物質不在星系裡,而是在星系之間,這部分彌散在星系廣袤空間裡的物質被稱為星系際介質。理論上,在宇宙大爆炸後不久,宇宙中只存在大量的氫、氦和少量的鋰,而沒有更重的元素,如碳元素和氧元素。但是天文學家們利用光譜確認了星系際介質中已經存在較重的元素。

“這就引出了一個關鍵問題,這些重元素從哪兒來?”蔡崢將故事的起因娓娓道來。現代宇宙學模擬給出一種“答案”——重元素主要是被小質量星系的恆星星風等拋射出來的。這就意味著小質量星系的活動似乎是重元素起源的原因,但在觀測上,大多數光學波段的搜尋和探索都無功而返,所以這一假設並沒有被證實。

“我們很快意識到只進行光學波段的觀測是不夠的,”蔡崢解釋道,“就像是沙塵暴的時候,我們看不到太陽,星系也很可能被塵埃所遮蔽。”為此,蔡崢團隊打算利用國際上最大的射電望遠鏡群——位於智利北部的阿爾瑪陣列(ALMA陣列),對“宇宙早期重元素起源”問題進行深入研究。“亞毫米波段不受塵埃影響,可能找到‘隱身’的星系。”

2018年,經過與全球科學家“競標”,蔡崢團隊的提案以國際前列的排名搶到了競爭激烈的國際最大亞毫米波望遠鏡阿爾瑪陣列(ALMA)的使用權,他們利用有限的30小時觀測時間,獲得了大約2TB的資料量,這個數量級至少可以儲存兩千部高清電影。緊接著就是對海量資料進行讀取和分析研究,“程式設計大約需要1個月,隨後是電腦跑資料,反覆驗算。”蔡崢推了推眼鏡,寥寥幾句帶過。

最終,經過嚴苛的“海選”後,蔡崢團隊將視野鎖定在一個星系,並將其與數值模擬的結果進行對比,發現它比預想中重了1至2個量級。蔡崢說:“這表明大質量星系對重元素起源的貢獻可能比先前預想的重要得多,表明宇宙中的重元素來自大質量星系的反饋作用,而並非來源於假設中的小質量星系。”如今,這一研究結果已經被國際知名天文期刊《自然·天文》(Nature Astronomy)發表,引發了天文學界不小的震動。

而鮮為人知的是,這次暗夜尋光差點隕滅。“只有訊雜比超過4,才算是一次真實的探測。如果低於這個數值,就很可能是噪聲等其他干擾因素引起的。最初,我們曾誤算得出訊雜比為6的‘漂亮資料’,可還沒顧上慶祝,課題組成員吳昀荊就發現了紕漏。”蔡崢說,當時擺在面前的有兩條路:一條是放棄前面幾百個日夜的煎熬,從頭再來,結論未知;一條是以一種相對省力的方式對當前研究過程進行修改,以達到標準。

“一切歸零。整個寒假,我們泡在辦公室裡,反覆核對、檢驗資料。”蔡崢說,最終的資料結果踩在真實觀測的“門檻”以上,如果再低一些,也許就不會被認可。而這也是論文發表前,嚴格的專家們與團隊反覆爭論的內容。“最後終於用事實與資料把專家們都征服了。”蔡崢笑著,臉上流露出一絲欣慰的笑容。

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暗夜尋光

在蔡崢位於清華大學的辦公室內有一塊小黑板,上面密密麻麻地寫著各種公式、數字和草圖,紅色、藍色的字跡疊壓著,擠佔著每一寸板面。角落裡,不知道是哪位瀕臨“崩潰”的研究生用筆重重地寫了一句“我不理解”,還賭氣般地畫了個皺眉的表情。不過字跡已經被疊畫上了數軸圖,旁邊還列了幾行公式。這塊黑板無聲地描繪著科研的過程:一定會遇到挫折,會感到沮喪,會吐槽,但不會放棄,不會停下。

蔡崢當然也經歷過很多次失意。他回憶起自己在美國讀研究生時的第一次獨立觀測,形容為自己人生的“至暗”時刻。直到現在,他還是會拍一下腦門,苦笑著說:“觀測前,導師就告訴我這次機會很珍貴,要爭分奪秒,一秒鐘就是一美金。”輪到蔡崢觀測,他緊緊盯著望遠鏡,但透過鏡片看到的只有一片“寂寞”——之前選定的目標星壓根沒出現。

“觀測結束後,我反覆在山上走來走去,那裡沒有月亮更沒有燈,黑漆漆一片。但我都顧不上害怕,因為心情太低落了。”沮喪之餘,他還給自己算了筆賬,這次無功而返浪費了三個月的工資,“更難過了”,回憶起十年前青澀的自己,蔡崢低下頭無奈地笑了笑,髮絲已有零星幾縷白色。

當時,蔡崢要找的是一顆隱匿在漆黑天穹中的暗星。常規的觀測方法是先用望遠鏡精準地指向它附近的一顆亮星,提前計算亮星和目標源的間距,根據結果將望遠鏡精準地挪過去。可這顆亮星是一位“運動健將”,一刻不停地運動,兩星間距自然也和提前算好的資料不一樣。“後來導師說,網頁下面有一行小字,提醒這是一顆高速運動的星。我怎麼就沒看到?”蔡崢說,這個教訓他能記一輩子,“我是個自尊心挺強的人,導師指出的任何問題我都印象深刻,包括他對我英文發音的糾正。”是教訓,也是動力。

留學期間,由於學業繁重,加之剛到美國時語言交流的困難,蔡崢成了天文大樓的開燈人和關燈人。在美國加州大學聖克魯茲分校從事博士後研究期間,蔡崢獲得了美國太空總署(NASA)授予的“哈勃學者”稱號,因為他發現了宇宙早期大尺度結構以及宇宙早期最亮的星雲。

說是最亮,但由於距離太過遙遠,這片星雲在地球上憑藉肉眼根本無法觀測,需要用4米寬巡天望遠鏡對準曝光兩個小時才可能看到。“這次我沒有再選高速運動的星當參照。”蔡崢倒不介意拿自己曾經的慘痛經歷當“梗”,“但觀測三天,前兩天一直下雪,望遠鏡根本開不了,直到最後一天早上,雪還沒有停的跡象。但我還是從宿舍出發了,雪大無法開車,只能走路上山,我深一腳淺一腳地向山頂爬,走了一個多鐘頭。”到達山頂處時,衣服都被雪和汗浸溼了,“只能用狼狽形容。”他說。

轉折出現了,當天後半夜,天空放晴,但這並不意味著勝利。調整望遠鏡位置、決定儀器型別、更換濾光片、隨時檢查資料……任何步驟都需要最準確的判斷。蔡崢舉了個例子,圓規的最小刻度是1度,而望遠鏡的指向和跟蹤精度需準確到圓規最小刻度的三萬六千分之一,“也就是說,我們需要操控幾十噸重的望遠鏡達到如此精準的角度,才可能實現觀測。”

“每一次觀測、每一次實驗、每一個工程都可能失敗,但只要堅持初心,就一定能有成果。”就這樣,蔡崢靠著“白天解不開,晚上繼續耗”的執著勁兒,與相距130億光年的一片星雲相逢。從此,這片雲洗去一路塵埃,散發出最動人的光芒。

天外尋夢

探索宇宙的志向是蔡崢上初中時就埋下的種子。那時,他對物理非常感興趣。到了高中,更是痴迷於科普書籍和電影。與預想不同的是,蔡崢對天文的熱愛少了點浪漫情懷,多了份理性,“我怕冷,深夜到荒郊野外看星星,對於我而言絕算不上享受。但我選擇天文物理,還能堅持做下去,最初的動力就是想探究宇宙背後的規律。”在北京五中念高三時,蔡崢憑藉第二十屆全國物理競賽北京一等獎的優異成績,進入了中國科學技術大學物理系。隨著專業學習的逐漸深入,他了解到我國在天文領域相對落後的現狀。於是本科畢業後,選擇了出國留學。

臨行前,蔡崢的爺爺反覆叮囑,學習到先進的知識後,一定要回來建設祖國。“爺爺1935年參加革命,參加了抗日戰爭、解放戰爭。奶奶也一直跟隨爺爺走南闖北,身經百戰,在長津湖戰役中榮立二等戰功,是楊根思的同連戰友。他們用實際行動影響了我,要做一個對國家、對人民有用的人。”

求學之路並非一帆風順,蔡崢也曾對專業有過動搖。“只要跟家裡提到是否應該轉專業,父親就覺得我是不是遇到什麼困難了。”蔡崢笑著坦白,“肯定是遇到些不順心的事才會提,但年輕氣盛,就是不想承認。”就這樣,轉專業成為了幾次生活“調劑”,輕描淡寫地劃過了。

走出去,確實看到了更廣闊的天。蔡崢認識到,單純憑興趣,用“一張紙一支筆推導公式”的路也許在今天不好走。在大資料時代,要想實現重大突破,科研儀器必須先行。“因為缺少相關的大科學裝置,中國的科學家只能藉助外國裝置進行研究,遇到的困難可想而知。”身在異國,蔡崢在不斷充實自己的同時,也時刻關注著祖國的發展。被譽為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)建成投用,創世界之最。“天眼一經啟用,威力大殺八方。但這絕對還只是個開始。”

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2018年年底,蔡崢即將博士後出站。一天,在美國出差的清華大學天文學系主任毛淑德找到蔡崢,向他透露清華正在籌備建立天文系,並遞出了橄欖枝。蔡崢沒有絲毫猶豫,就做出了回國任教的決定。“當時我特別高興。以前每次回國,都要買往返機票,這一次終於只需要一張回國的單程機票了。”他說這是自己做過的最正確的決定,“捫心自問,我不想過那種看似安逸,一眼可以望到退休的生活,我希望像爺爺教育我的那樣,真正做一個對祖國有用的人。”蔡崢的眼神中露出堅定的目光。

來到清華後,蔡崢做的第一件大事就是寫入黨申請書。在一次接受校友採訪時,他說:“曾經因為學業繁重,沒有規劃好時間,沒能來得及遞交入黨申請書就出了國,但我心裡一直惦記著。”

2019年10月,蔡崢正式向黨組織遞交了入黨申請書。今年5月24日,他終於如願加入了中國共產黨,校長邱勇親自當他的校級聯絡人。“校長時常勉勵我,創新之路不易,要鍥而不捨,久久為功,甚至要準備好‘九死一生’。”

九天巡遊

兒時仰望星空、探索宇宙的夢想,正在蔡崢的不懈努力下一點點變成現實。清華天文系聯合精儀系等院系正在全力推進世界最大的6.5米寬視場光譜巡天望遠鏡(MUST)的建設。蔡崢承擔著望遠鏡主鏡的設計和購置,並在科學目標論證、關鍵指標選擇上發揮關鍵作用。

這臺巡天望遠鏡已確定選址在青海冷湖塞什騰山,海拔4576米。“這裡氣候乾燥,每年降雨量約10毫米,但蒸發量卻能達到上千毫米。”說到自己正在實現的夢想,蔡崢一下子開啟了話匣子,“天很乾淨,星星不眨眼。8萬平方公里的地界,只有一二百戶居民,幾乎沒有光汙染。”

“這裡有你絕對沒見過的星空,”蔡崢說著,臉上藏不住的笑意,“你可以看到星星在東昇西落,銀河系像拱門一樣從地平線這頭連到那頭。”他用雙手描繪著這幅圖景,彷彿自己正置身於這片美麗的星空之下。他略帶享受地停頓了一下,緊接著補充道:“大氣越穩定,視寧度越好,望遠鏡顯示影象的清晰度就會高。”

然而,實現夢想的道路並非一帆風順。由於青海冷湖地區海拔高,氧氣稀薄,每次到現場勘察蔡崢都不得不戴上吸氧管。“其實高反並不嚴重,但我在那裡的每分每秒都需要思考,為了保證大腦能夠清晰地作出決定,我會吸些氧氣。”蔡崢說,他已經七次前往青海實地考察了。

長途跋涉建一個望遠鏡,到底圖什麼?為了用中國自己的先進科學裝備,探尋宇宙的未解之謎。“現在國外6米以上的‘鏡子’有二三十臺,而我們一個都沒有。做科研,既要有理論突破,也要做實驗驗證,觀測檢驗也極其關鍵。”蔡崢透露,6.5米寬視場光譜巡天望遠鏡的建成將對宇宙學暗能量演化、引力波宇宙學、星系形成、系外行星探測等前沿領域作出國際領先的重要貢獻。

“未來十年,世界主流望遠鏡有兩個發展方向。一個是廣域巡天望遠鏡,類似於給星空拍攝二維照片。一個是精測型望遠鏡,聚焦某個點位狂拍,形成光譜。”蔡崢解釋,寬視場光譜巡天望遠鏡是一個相對空白的領域,它一次曝光可以捕捉到上萬個天體的光譜,真正實現巡遊九天。

如今,在清華大學的大力支援下,這個科學前沿專案的初步設計方案已經完成,主鏡開始製作。“整個建設週期需要七八年的時間。”蔡崢說,這是個需要多部門合作完成的專案,磨合是當下的“必修課”。“望遠鏡有主鏡,有副鏡,也有人管它叫次鏡,也有些工科老師剛開始不知道是什麼。”僅僅統一名稱這件事就花了幾個月的時間。“不過好在彼此溝通渠道很順暢,我和精密儀器系教授黃磊是鄰居,家裡、樓道里都是‘會議室’。有時遇到問題,我倆能在大雪地裡探討半天。”蔡崢還經常和清華水利系、積體電路學院的老師們踢球,中場休息時的話題也總是圍繞著望遠鏡。

探討過程中難免出現思想的碰撞。“在我看來,工程難點在於精密光學部分,凸面鏡的驗測技術和大尺寸透鏡的質量必須過硬,但工科教授認為難點在於機械部分……關鍵是用事實說服彼此。”蔡崢開玩笑地說,為了“吵”贏,大家都已經成為了彼此領域中的專家。

還有些壓力來自外行。比如有人覺得動輒十幾億的專案不划算,產生不了實際價值。蔡崢對此堅決不同意。“造大科學裝置絕對是‘划算’的。因為它帶來的科學熱,對於下一代的啟迪,價值不可估量。”另外,大科學裝置必然帶動一批先進的技術快速發展並落地。“現在智慧手機上廣泛應用的電荷耦合元件(CCD),最初就是為了滿足哈勃望遠鏡需求研製出來的。”蔡崢說。

作為一位7歲女孩的父親,蔡崢還有個夢想,希望依託巡天望遠鏡所觀測的大資料為北京打造一處“天文少年宮”,讓更多孩子靠近光、感受光、溫暖光、成為光。“我不能摘一個月亮,也不能摘一顆星星,我只能摘一朵野花送給你……”在清華大學拍攝的紀錄片《大學》中,有一段蔡崢牽著手拿望遠鏡的女兒,坐在山頂的草地上,彈著吉他緩緩吟唱的鏡頭,他唱出了對這片星空的熱愛,也唱出了一位父親樸素的心聲。

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在不遠的未來,中國巡天望遠鏡的“第一縷光”即將照亮,科研人員將用中國自己的裝置精準丈量宇宙,開啟超精密宇宙學的時代。“我們希望可以將哈勃常數精確到1%,真正看清宇宙的起源,顛覆目前的標準宇宙學模型。”

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