陳學(xué)雷：天籟計劃首席科學(xué)家

張軒中

2017年10月13日，記者專訪了“天籟計劃”首席科學(xué)家、中國科學(xué)院國家天文臺研究員陳學(xué)雷。

為什么選擇天文道路？

陳學(xué)雷是北京人，因為高中時期“對物理很感興趣，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)時很想離開北京一段時間，所以去了上海”。

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，隨后出國到哥倫比亞大學(xué)攻讀博士學(xué)位。“博士階段一開始是想跟導(dǎo)師做超對稱暗物質(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年底回國入選中科院百人計劃，獲得國家杰出青年科學(xué)基金，現(xiàn)為國家天文臺宇宙暗物質(zhì)與暗能量研究團組首席科學(xué)家。

陳學(xué)雷做了天文以后發(fā)現(xiàn)天文學(xué)有一個很大的優(yōu)點：在天文領(lǐng)域可以既做理論又做實驗觀測。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，理論與實驗是截然不同的，一個人要么做理論要么做實驗，很難兩者兼顧。而在天文領(lǐng)域既可以做理論也可以做實驗，這也是陳學(xué)雷后來覺得天文很有意思的一個地方。

提出“天籟計劃”

陳學(xué)雷后來提出了一個天文觀測的實驗計劃，這個計劃得到了國家863項目的支持，陳學(xué)雷擔(dān)任這個項目的負(fù)責(zé)人。這個項目被取名叫“天籟計劃”。

陳學(xué)雷告訴記者，天籟計劃的“籟”字泛指“聲音”，“天籟”就是“宇宙的聲音”。

天籟計劃建在新疆東部的哈密地區(qū)巴里坤縣大紅柳峽鄉(xiāng)，這個觀測站的名字叫國家天文臺紅柳峽觀測站。

天籟計劃項目在2012年啟動，在2015年年底建成，在最近2年時間內(nèi)進(jìn)行了調(diào)試，在2016年年底通過了課題的驗收，在2017年10月通過了863項目驗收。

“天籟計劃”的科學(xué)目標(biāo)

天籟計劃的科學(xué)目標(biāo)是觀測宇宙的大尺度結(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。簡單地說，就是要觀測星系在空間的分布。

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的，但是如果把空間尺度分解成不同的波長來看，則這里面是有一些特征的—這種按照波長來分解物質(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的波的強度分布。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，也類似于三棱鏡對太陽光的分解—分解成七色彩虹。

陳學(xué)雷說：“把空間分解成不同的波長，這里說的波長其實是一種長度，也是空間的一些特征尺度，比如說1萬光年、10萬光年、1000萬光年……按照這些有規(guī)律特征距離來研究物質(zhì)的分布。”

如何巡天？

陳學(xué)雷說：“天籟計劃好像是造一個傾聽宇宙聲音的收音機。這個收音機其實也是一個射電望遠(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。我們基本上可以測到北半球天空上的射電信號。”

天籟計劃一共有兩套天線，其中一套是柱形天線，這套天線在南北方向長，在東西方向則短一些，像一個拋物線的形狀。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，天籟計劃取得的觀測數(shù)據(jù)正在分析之中。因為這個數(shù)據(jù)量很大，陳學(xué)雷與項目組正在研究“如何用有限的資源把這個數(shù)據(jù)分析出來，這看上去是一個很大的挑戰(zhàn)！也許要靠云計算這樣的新的科學(xué)方式來解決這個問題”。

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)時國際上討論建設(shè)更大的射電望遠(yuǎn)鏡到底應(yīng)該怎么實現(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一樣，國際上提出了要做總面積是1平方公里的陣列（SKA）；另一個思路是由比較少數(shù)比較大的望遠(yuǎn)鏡組成陣列。經(jīng)過一番討論，最后SKA是用幾千個小的射電望遠(yuǎn)鏡來組成一個陣列（第一階段計劃分別在澳大利亞和南非建造由幾百個單元組成的低頻和中頻射電望遠(yuǎn)鏡）。中國則建成一個大口徑的單天線射電望遠(yuǎn)鏡，這就是FAST的來歷。FAST是一個綜合性的望遠(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：“實際上我提出天籟計劃的想法也起源于當(dāng)時剛開始討論FAST科學(xué)目標(biāo)的時候，當(dāng)時南仁東先生邀請我?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)時一想，就發(fā)現(xiàn)遇到一個問題。FAST的望遠(yuǎn)鏡是單天線的，它比較大，它看近處的星系的時候是一個一個分開的，但它看遠(yuǎn)處的星系的時候是混在一起的，在想這個問題的時候我意識到，我們不用擔(dān)心看遠(yuǎn)處星系的時候混在一起（因為射電的波長很長，它的空間分辨率比較低），混在一起并不要緊，因為你感興趣的不是單個星系，你感興趣的是一個區(qū)域里面總共有多少個星系—因為我們要測宇宙的密度。后來我就在學(xué)術(shù)會議上報告了我的這個基本思想—用射電的方法去觀測宇宙，這種方法叫做強度映射方法。這種方法所需要的射電望遠(yuǎn)鏡可大可小，F(xiàn)AST也可以做這個事情，但FAST的口徑太大，它的視場比較小。FAST好像一個長焦鏡頭，能看到的天空的面積反而小了。所以用FAST去巡天就比較費時間，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。所以國際上當(dāng)時有一批人就提議做這個事情，本來我是做理論工作，后來因為沒在國內(nèi)找到做這方面實驗的人，于是我就沖到了前臺，去申請這個項目（天籟計劃），做起了實驗。”

因此，與FAST相比，天籟計劃的望遠(yuǎn)鏡看到的天空面積比較大。

以后可以測暗能量

天籟計劃現(xiàn)在還沒有測暗能量，因為暗能量引起的效果是宇宙的加速膨脹。對于天籟計劃來說，這其實是要測量銀河系外很遠(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）。但實際上全球包括天籟計劃在內(nèi)的射電望遠(yuǎn)鏡都還沒有測到遙遠(yuǎn)的宇宙距離尺度的21厘米射電信號。為什么會這樣？因為銀河系本身的亮度太高。這就好像白天要看星星，因為太陽光太亮，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，目前天籟計劃的射電望遠(yuǎn)鏡其實是一個口徑40米的陣，第一步是爭取探測到宇宙距離的中性氫。而暗能量的探測需要口徑100米的射電望遠(yuǎn)鏡陣列。所以，探測暗能量是取得第一步成功后下一步的事情。最近幾年，天籟計劃的望遠(yuǎn)鏡也可以看到快速射電暴，因為快速射電暴是隨機發(fā)生的，需要很大的巡天面積，這是天籟計劃望遠(yuǎn)鏡具備的技術(shù)優(yōu)勢。

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口號，尤其是大家都不敢正視科學(xué)研究中的失敗。實際上，科學(xué)探索的實驗總有失敗風(fēng)險，這是我們需要正面面對的問題。我們中國的科學(xué)文化有點太偏于追求成功，而不敢做有風(fēng)險的科學(xué)探索，這是亟待改變的現(xiàn)象。因此，中國需要有一些科學(xué)上的探索項目，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值的。雖然現(xiàn)在人們還沒有探測到宇宙深處的21厘米譜線，但只要堅持下去，總有一天我們會探測到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