——记中国科学院国家授时中心研究员吴元伟

　　　郑 心  曹笑轩

　　虽然光阴无形、岁月无状，但人类主动创造的能“看到”时间的方式依然有很多种：小到流失于掌心的沙漏、嘀嗒运转的时钟，大到坐落于中轴线上的钟鼓楼，以及日晷投射下的阴影……而中国科学院国家授时中心（简称“授时中心”）的研究者们手中掌握的，却是所有方式中最权威的一种——他们通过与天体的对话，在其持续不停的运转中寻找“何为时间”与“何以精准”的答案，将科学之问书写于浩渺苍穹。

　　这或许注定是一份须坐得住“冷板凳”的工作，因为时间此物如同空气与水，多数人拥之无感，失之无措。以中国科学院国家授时中心研究员吴元伟为代表的研究者们却清楚，定义时间的精准刻度里，潜藏着文明生长的力量。所以，国家授时中心耗费数年时间，参考甚长基线干涉测量（VLBI）2010技术规范，研制建成了3台13米射电望远镜，建立起我国首套测地VLBI系统，以超高角分辨率定位射电源的天球坐标，进而精准定义时间，为世界时钟“对表”。作为国家授时中心VLBI测定世界时UT1的技术负责人，吴元伟也在年复一年的工作中，用世界时测量精度的每一次提升，书写着授时人的传承与坚守。

目尽星河远

　　何为“授时”？——这是许多人第一次听闻“授时中心”时的疑问。“确定、保持某种时间尺度，通过一定的手段把关于时间的信号和信息传递出去，供应用者们使用，这一整套工作就是‘授时’。”吴元伟如此介绍。据悉，这份工作其实由来已久，《尚书·尧典》有载：“乃命羲和，钦若昊天，历象日月星辰，敬授人时。”由此可以想见，授时工作与天文学相伴而生，这也是吴元伟走入授时领域的起点。

　　中学时期，吴元伟开始在数学与物理等理学学科上找到了自己的专长。当看到南京航空航天大学参与“神舟一号”飞船研制工作的宣传海报时，他便毅然选择了应用物理学专业，梦想用物理学知识助力国家的航天事业。由于现实原因，大学毕业后吴元伟曾有过两段短暂的工程师职业经历，但也正是这段实践令他明白了学术研究才是自己的心中热爱。“我还是更喜欢探索未知的日子”，他如此总结了自己的“工作经验”。于是他决定辞职深造。

　　“紫金山天文台是中国现代天文学的发源地，其学术声誉和口碑是极佳的。”对于读研平台的选择，吴元伟如此说。职业走向也的确如他所想，6年的硕博生涯让他经历了系统的科研训练，度过了既有迷茫也有梦想的“新手期”，让他建立起科研信心的“大质量恒星形成区的分子谱线观测研究”也完成于此时。

　　透过青海观测站13.7米射电望远镜，吴元伟感觉自己得以接近静谧深邃的星空，虽并未直接目睹“星垂平野阔”的壮丽开阔，却能从精心处理的观测数据中揭示出恒星诞生时的奥秘。而硕士期间的两篇《科学引文索引》（SCI）论文在彼时也已足以为一个心向星空的年轻人鼓足前行的信心和勇气。

　　紫金山天文台的徐烨老师、南京大学的郑兴武教授、德国马克思·普朗克射电天文研究所期间遇到的卡尔·门滕（Karl Menten），哈弗-史密松天体物理中心的马克·里德（Mark Reid）等前辈与导师的悉心指导与帮助，则成为吴元伟收获的又一份宝贵财富。“他们的指导并不仅停留在写代码、分析天文数据、撰写科研论文等基础层面。让我更加感恩的是，他们是我看得见的榜样标杆与人生范本，徐老师的治学严谨、勤奋努力，郑老师的和蔼可亲、马克求真的科学家精神，以及卡尔的关怀，成为科研路上的一道道微光，让我觉得即便这是一条相对小众的研究道路，但只要坚持下去，依然可以展露光芒。”他由衷地说。

　　博士毕业后，吴元伟前往日本国立天文台水沢VLBI观测所，继续从事VLBI天体测量领域的研究。3年博士后研究生涯，除完成了BeSSeL项目银河系人马座旋臂的视差测定工作外，他还开展了多项自主课题研究，如对X射线双星LSI+61 303的高精度天体测量研究——利用VLBA对这一天体进行10历元的加密观测，他精确测定了天体的进动周期，即26.926±0.005天（此天体最高精度的进动周期测定结果）。值得一提的是，此结果有力地支持了此双星系统中的致密天体为恒星级黑洞而非中子星。此外，吴元伟还利用日本国立天文台的野边山（Nobeyama）45m和NASA深空网的提德宾比拉（Tidbinbilla）70m望远镜，开展了人马座星流内SiO和H2O脉泽的搜寻工作，最终搜寻了200多颗富氧AGB星与40多个脉泽辐射源。“星流脉泽搜寻这项工作自2014年一直持续至2024年，并最终利用德国100米望远镜首次在银河系银晕内探测到两颗SiO脉泽，相关成果去年由紫金山天文台的师妹发表在《天体物理学》杂志。”他补充道。

心至苍穹阔

　　2017年，应国家授时中心高精度时间传递与精密测定轨研究室主任杨旭海老师邀请，吴元伟正式回国加入国家授时中心的VLBI团队，探索世界时的测量和精度优化问题。“甚长基线干涉测量技术是一项起源于20世纪60年代的射电天体测量技术。此技术通过组网方式，将相隔数千乃至数万公里的望远镜组合使用，对射电源的绝对测角精度可优于1毫角秒；同时可以测量望远镜在地球参考架下的台站坐标，精度优于1厘米；还可测量地球参考架相对于天球参考架的转动角，即地球自转角，得到的世界时精度可达到10微秒级。”吴元伟介绍道。

　　但鲜为人知的是，今日的“滔滔不绝”背后暗藏着曾经刚转换科研方向时的短暂无措。“之前的10年一直从事的是自由探索类的研究工作，世界时的测量却是一项具有基础服务性质的工作。不同于天体物理学研究，世界时测量在卫星导航、深空探测、国防应用等方面具有不可或缺的重要作用，因此反过来，对于精度、可靠性与稳定性的要求也水涨船高，毕竟失之毫厘便可能谬以千里。所以最初接到这项任务时，在心态和关注点的转变上，以及科研范式的调整，我还是耗费了一些工夫。”吴元伟坦诚道。

　　成长的顺逆皆为常态，幸而荆棘已过。眼下，吴元伟与团队正致力通过研制观测频率和观测灵敏度更高的多频低温制冷接收机，以提高现有VLBI系统测定世界时UT1的精度。“在更高频率开展VLBI观测带来的收益颇多，如电波环境更宁静，不易受干扰；电离层误差大幅降低；射电源源结构效应影响大幅降低等；但同时也对观测系统的指向性精度、望远镜的灵敏度、观测策略提出了新的要求。此外，UT1的测量精度很大程度上还取决于观测台站的站址维持精度。因此，除提升望远镜系统的观测性能外，我们也在积极推进国内、国际、区域的VLBI联测工作，实现对测站坐标的常态化维持，降低台站坐标误差引入的UT1测量误差。”

　　近期，通过对世界时的监测，吴元伟团队还发现了一个反常而有趣的现象，即千禧年后，地球的平均自转角速度竟然表现出了加速现象。据吴元伟介绍，地球自转变化同时受到外部日月潮汐和其自身内部复杂动力学的调制，如大气、海洋的环流、冰川的消融、陆地水储量和地球物质分布与角动量的迁移等，这些都可能改变地球自转的速率。千禧年以前，通常2～3年内便会有一次闰秒，而最近的一次闰秒已过去了近8年，若自转加速现象持续下去，有可能在未来迎来首次负闰秒事件。“我们近期的研究表明，地球自转自20世纪70年代起，其自转变化长期趋势就出现了拐点。其物理归因中，地球大气、海洋流体成分的贡献仅有不到2%，冰川消融等物质迁移导致的地球动力学扁率的变化，也仅能贡献约2%的自转加速。在排除潮汐和外部圈层间的可能性后，地球自转加速现象的物理机制应源自地球内部，如地幔与外核的角动量交换、内核与固体地球的角动量交换等都是可能的，确切的机制还需要进一步的研究。”

　　那么，要如何才能更精准地预测地球自转的变化？近期，基于神经网络的机器学习与人工智能技术的突破性进展，各行各业都在为交叉融合而奋力实践，天文也不例外——利用AI算法助力预测地球自转的变化，以及揭示地球自转变化背后物理激发机制，正是吴元伟工作的全新锚点。2024年9月，在天文学会时间频率分委会的支持下，授时中心举办了首届中国区地球定向参数预报竞赛（1st CEOPPCC）活动，目前有来自7个机构的13支参赛队伍参加了此项活动。