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寻找宇宙中的第一束光

来源:  发布时间:2016-03-15

——记北京大学科维理天文与天体物理研究所研究员江林华
  
本刊记者 杜月娇
  
  2015年,一部《三体》刷亮了科幻世界。尤其当8月底获得雨果奖最佳长篇小说奖的消息传来,一时间,《三体》风头无两。当人们在谈论《三体》的时候,里面那些有趣的物理设定也被挖掘了出来,智子、水滴、二向箔、思想钢印等超级神器会不会出现在未来世界?恒星、星系、黑洞、时空,茫茫宇宙中,到底还有多少未知?
  从某种程度上说,《三体》的世界其实也是天体物理学和宇宙学的世界。江林华的生活中就贴满了“类星体”“超大质量黑洞”“高红移星系”“宇宙再电离”等标签。在《三体》粉丝们看来,他的工作一定是“酷爆了”。真相如何,当然只能由他来告诉大家。
  
探寻最遥远的宇宙
  
  有人会以为,江林华是一个“看星星的人”。这其实是一个误会。如果你真的拉着他在夜空里寻找星座的位置,他很可能答不上来。或者说,他的答案可能并不那么浪漫——一个精确的坐标。数年来,通过天文望远镜,他去追寻的就是一个个精确坐标下的内容。
  “天体物理学研究整个宇宙是什么样子、星系怎么形成、宇宙从何而来……”江林华说,“而我研究的是极其遥远的宇宙。”
  “大爆炸宇宙论”认为,宇宙是由一个致密炽热的奇点于137亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。对这个拥有137亿年高龄的宇宙,江林华满心好奇,他渴望去追溯一百二三十亿年前的那个年龄只有十多亿岁的“小时候”的宇宙。
  在现代宇宙学的主流观点中,宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里,宇宙体系不断膨胀,使物质密度从密变稀,如同一次规模巨大的爆炸。“大爆炸最初,宇宙处于极高温高压之下,只有基本粒子包括光子存在。之后它们慢慢冷却,在几十万年之后逐渐形成我们所知道的原子等基本的物质结构。这个时候,宇宙是黑暗的,因为没有太阳,也没有星星,只有基本微粒。”在江林华的讲解下,笔者似乎看到了神话中的“混沌”。这种状态一直延续到宇宙十几亿“岁”,此时,由于引力的作用,宇宙中发生了一次重大的变化——宇宙大结构开始形成,出现了最原始的恒星、星系以及大型的黑洞,它们重新点亮了宇宙。“那个时候,宇宙才呈现出现代宇宙的雏形。”
  对于生命本源的探索是人类永恒的追求,当生命范围被扩大到整个宇宙,这份追求也是一样的。2010年,美国国家研究委员会公布了题为《天文学与天体物理学的新世界和新地平线》的最新研究发展计划,制定了2012年至2022年天文学与天体物理学研究议程。其中,发现系外宜居类地行星、探测“暗能量”之谜等被列入首要目标名单。“他们的三大科学目标之一,还有一个是寻找宇宙的第一束光,就是去叩问最开始的光是从哪里来的,大爆炸之后的第一代恒星、星系、黑洞等又是怎么来的。这也是我最重要的科学目标。”江林华说道。
  这个目标的定位自然是谨慎的。他向来不赞成一时兴起去做选择,所以几乎每个学生都被他问过一个问题:你是真的喜欢这个学科吗?
  他自己的答案当然是肯定的。“我很喜欢这个方向”,江林华强调。“当你走上基础研究领域,你得喜欢它。我们研究的这些,涉及了非常有意思的东西,看起来也很漂亮,但真正做下去,跟想象的其实很不一样。并不是说每次的结果都能解决暗能量或者宇宙演化这种大问题,相反,我们要做的都是非常非常小的细节,需要经常出差、开会、处理分析数据等等,日复一日地去做一些繁琐的工作。你不能指望它来挣大钱,于生计上不会带来大的收益。所以如果不感兴趣,就不应该做这个。”
  
但愿日后的学生不必漂洋过海
  
  2014年9月,江林华来北京大学科维理天文与天体物理研究所报到了。他是研究所的新人,却与北京大学渊源颇深。1996年,江林华就考到了北京大学天文系。从本科到保送硕士,北大天文系见证了他最好的青春。2003年7月,他拿到了硕士学位,两个月后,站在了美国亚利桑那大学的校园里。
  “美国国家天文台观测基地就建造在亚利桑那沙漠里的山上,这是一个特别适合天文观测的地方。所以亚利桑那大学的天文学、行星科学、光学口碑都非常好。”初到亚利桑那大学,江林华首先去做的就是了解所在的天文系以及导师樊晓辉教授。作为观测宇宙学家,樊晓辉的研究主要集中在寻找宇宙中最遥远的类星体,并利用它们作为探测宇宙的早期演化。具体来说,樊晓辉的研究指向四大问题:宇宙中第一批天体何时出现?宇宙中第一批超大黑洞何时出现?早期超大黑洞黑洞和其宿主星系如何共同演化?第一代星系和类星体如何再电离宇宙星系际介质,结束宇宙黑暗时代?
  是不是看起来很眼熟?江林华在前面所讲的方向,与此大体相同。“当时,我就是看老师做的方向很有意思。但我的方向并非一成不变的,最初只是做类星体和大质量黑洞,慢慢又加上了别的。研究总不能太过于盯死一个方向。”在樊晓辉的研究小组中,江林华有机会去利用SDSS、CFHT、PansStarrs等巡天数据进行大尺度星系和类星体巡天,并使用LBT、Keck、HST和ALMA等做后续观测。亚利桑那先进的仪器,令他叹为观止,也使他的研究之路如虎添翼。
  从博士到博士后,江林华在亚利桑那大学8年。期间,以主要完成人身份承担美国宇航局spitzer太空望远镜项目3项,以主持人身份申请美国宇航局spitzer太空望远镜项目和Hubble太空望远镜项目各1项。2011年9月,他转战亚利桑那州立大学地球和空间学院工作,成了一位研究员。其后,又承担了美国宇航局的数项项目。
  十余年的科研之旅,江林华积攒了超过200个夜晚的观测经验,包括100多个6~10米级望远镜夜晚和100多个2~4米级望远镜夜晚。不要小看这个数字。虽然哈勃望远镜早在上世纪80年代就被造了出来,中国目前依然造不出这一级别的望远镜,有些研究就需要去租用“别人家的”望远镜,代价是一个晚上可能要几万美元,如果是下一代望远镜,这个数字还要翻上几番。“一晚上成本折算数十万美元”,江林华说,“就如现代的粒子加速器,加速器一开,等于往里扔钱。这些巨额成本制约着科学的发展。”
  如此一来,他倍加珍惜自己的海外岁月。那些年里,他利用SDSS巡天数据组织了大型高红移类星体搜寻,利用几个互补的搜寻高红移类星体的方法,建立了第一个低光度的完备的高红移类星体样本。这些类星体样本已经成为研究宇宙再电离的重要数据之一。现在已知的70余个高红移类星体中,20个是江林华发现的,另外还有20个左右是他与合作者共同发现的。
  有了如此大的高红移类星体群,他当然不会放过对其进行系统性的物理性质研究。经过多波段观测,他在高红移类星体中挖掘了一系列重要的亮点,如光度函数、中心黑洞质量、金属风度、寄主星系性质以及它们对宇宙再电离的影响等。目前,国际核心刊物上发表了他60多篇论文,引用超过5000次,其中,30余篇与高红移类星体有关,有2000余次引用。
  成绩有了,江林华还是想回来。在他眼中,北大和以前完全不同了。作为96级的北大学生,江林华的本科生涯中还接触不到太多国际上的新鲜研究。而现在,在全球信息化的大背景下,国际交流是一件非常容易的事,尤其对江林华这种国际合作密切的青年来说,更是如此。随着中国在天体物理学等领域与国际上的差距逐步缩小,江林华也希望能够为此做出贡献。“在美国,要进最好学校的天文系竞争很激烈,但是年轻人回来不都是因为找不到合适的位置,更想联合起来做一些大事。在国内,在北大,我们也可以站到最高点去做事,没必要一定在国外。”
  尽管有时也会为一些琐碎的程序烦恼,江林华对现在的科研环境还是很满意,尤其是对学生。“我对学生的要求向来是不聪明没关系,但是要勤奋努力。”在美国时,他常常每天只睡6个多小时。虽然从不说要学生节假日或者周末加班的话,潜意识里,他还是希望学生能够每周多工作一天,因为“某些人能比其他人做的好,都是极其勤奋的”。“北大学生的独立性非常强,很多时候都不用去各种要求他们,他们本身就很刻苦。”
  说是“不用管”,江林华还是会在一开始就告诉学生们一些注意事项:要多交流,多听不同方向的人的报告,每天读最新的文章,最基本的数据处理等知识要懂得……说完这些,他才会真的放手去让学生自己想,哪怕给学生的是经过精心设计可以看到好结果的课题,他也会提醒学生不要简单地按照他的思路去做,要有自己的想法。
  “刚跟樊晓辉教授时,他给了我一个课题,我还问他接下去我应该做什么。后来,他跟我喝咖啡的时候说,以后永远不要问我接下去要做什么,你要带着自己的想法来做,哪怕是错的也没关系。”自此之后,整个博士阶段,江林华都开始了“独立”之旅,从确定方向到写项目申请,从观测数据到处理结果,都是自己来,“开始很困难,后来就好了。如果手把手教,很可能毕业之后都不知道怎么做。”
  每年在科维理天文与天体物理研究所工作两个月。师生俩再次聚首,也是一段佳话。“以前在美国,参加华人聚会的时候,我们常常开玩笑说,等到多少年之后,我们的学生我们的后代再也不用漂洋过海,在中国就能做最优的研究,我们就心满意足了。”江林华笑道,“这是一个愿望。”
  
走上这条路注定喜欢这种生活
  
  10月6日,瑞典皇家科学院将2015年诺贝尔物理学奖授予了梶田隆章及阿瑟·麦克唐纳,他们发现了中微子振荡,并提出更深远的结论:长期以来被认为是没有质量的中微子,竟然是有质量的。诺贝尔奖评选委员会在声明中称,该研究为“粒子世界的蜕变”。
  “到这个阶段,粒子物理已经是完美了。但即使完美,我们所知的所有物质也只占宇宙构成的百分之四点几,此外还有20%?30%是暗物质,还有近70%的暗能量一无所知。”他认为,要探索出宇宙中更多的未知内容,就不能固守在自身的一个领域内,所谓的交流,不只是国际交流,还有学科交叉。“比如说照相机和天文望远镜都需要精度,但我们对精度的要求显然要高得多。我们去探测宇宙最深处,也许就是蹲在地球一座黑暗的山上,去看火星上的一根蜡烛,精度要准确到这种级别。这是天体物理学提出的需求,但是要由工程师来实现。”在科维理天文与天体物理研究所,江林华的楼下经常会有不同方向上的报告。江林华很喜欢去听,在他看来,思想就是要多碰撞,“万一摩擦出火花呢。”
  回国刚一年,江林华很忙,参加评审、面试学生、指导学生、组织会议、国外合作……工作上要忙,两个孩子的户口还要上,很多繁琐的事占据了他的时间,忙不过来,连飞机上都要工作。
  “目前有很多事情要做,比如基于SDSS数据的高红移类星体巡天,充分利用各种SDSS数据建立一个独特的高红移类星体样本。一旦建成,这个样本不仅是最大,也将是最均匀和最完备的。这对于我们计算目标天体的各种统计性质,如光度函数和质量函数等至关重要。”
  并非大话,江林华的小组是目前主要的大规模利用SDSS数据搜寻高红移类星体的小组。要完成这样一个独一无二的项目,观测时间必须要足够。他主要利用国际上的开放性望远镜时间,及利用在国际上的学术人脉获取时间。此外,他们还将通过TAP计划申请国外大型望远镜时间。当然他也计划将来用中国自己的2.4米丽江望远镜。他相信要完成足够的数据样本不成问题。
  “国家自然科学基金的项目在申请,小的项目也在整理。刚带了两个研究生和几个本科生,要分别给他们设计做什么……”说到这里,江林华低头细思,“时间好像有点不够。”在学霸江林华的早年的北大记忆中,他的爱好就是长跑和踢球,每天做完喜欢的运动,“除了学习,不知道还能干什么”。难怪现在他能有每天超过12个小时的工作时间,“这不是被逼的。走上这条路,注定要喜欢这种生活。”
  
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2024年5月

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