星空下的仰望者
——記南京大學天文與空間科學學院副教授劉慧根

汲曉奇

劉慧根

10月8日，瑞典皇家科學院將2019年諾貝爾物理學獎授予詹姆斯·皮布爾斯、米歇爾·麥耶以及迪迪埃·奎洛茲，以表彰他們在人類理解宇宙演化史和地球在宇宙中所處位置而做的貢獻。其中，麥耶和奎洛茲的獲獎原因是他們曾于1995年發現首顆圍繞類日恒星運行的系外行星，即51Pegasi b。面對浩瀚的宇宙，人類曾有過無數次遐想，但他們二人的發現顛覆了我們對太陽系外的行星世界的固有看法，并引發了天文學歷史上的革命。

迄今為止，人類所發現的4000多顆系外行星千奇百怪，令人難以置信。“很多系外行星的情況與我們所在的太陽系大相徑庭，比如，51Pegasi b，它的公轉周期只有5天，但是這顆行星的大小又和木星相當，這種行星在太陽系里是很難想象的。系外行星的多樣性對基于太陽系的行星形成和行星演化理論構成了一定挑戰。”南京大學（以下簡稱“南大”）天文與空間科學學院副教授劉慧根在采訪中解釋說。

多年來，劉慧根一直致力于系外行星領域的研究，探索著璀璨星空的奧妙，樂此不疲。正如哲學家黑格爾所言，一個民族要有一群仰望星空的人，民族才有希望。“80后”劉慧根就是那群仰望星空、不斷探索未知的天文學家之一。投身科研以來，他始終秉持著探索、創新的科研精神，希望可以借助南大這個優質平臺，通過一次次的天體觀測，逐漸揭開系外行星的神秘面紗，為中國天文學的發展貢獻自己的一分力量。

結緣天文學 鑄就科研路

高考，兩個簡單的字卻構成一個神圣而又令人敬畏的詞語。它既承載了萬千學子的大學夢想，又承載了萬千父母的殷切希望，更承擔了為國家選拔人才的重任，可以說是人生中一個重要的轉折點。對于劉慧根來講正是如此，“我的天文學生涯其實就是從進入南大之后開始的，其中最關鍵的選擇節點就是高考時填志愿”。正是高考為他開啟了一扇科學探索的大門，讓他有機會接觸并了解天文學，逐步走上科研之路，成長為一名年輕的天文學家。

當時正值2002年，互聯網雖已有一定的發展，但遠沒有現在這么便捷，劉慧根對天文學也只是一知半解——“對天文學的認識也就是停留在看天上的星星”。通過班主任的介紹，劉慧根覺得南大不錯，特別是該校的天文系在全國排名第一，而天文系對本科生的要求是要有扎實的物理和數學的基礎。這對于數學和物理成績都很不錯的劉慧根來說，非常具有吸引力。“我當時就希望能夠繼續學習與數學、物理相關的一些專業，這樣看來選擇報考天文系也是一種冥冥之中天注定的感覺。”在談及選擇天文學專業的原因時，劉慧根爽朗地回答道。

南大天文學系（現為天文與空間科學學院）創建于1952年，是中國高校中歷史最悠久、培養人才最多的天文學專業院系，被譽為“中國天文學頂尖人才的搖籃”，擁有目前國內唯一的天文學一級重點學科。該學科素以專業設置齊全、學歷層次完備、師資力量雄厚、治學態度嚴謹而享有盛譽，在歷次學科評估中位居國內高校天文學專業第一。劉慧根就是在這所學術氛圍濃郁的大學中與天文學結下了不解之緣。

“南大天文學系所涉獵的方向是最廣的，覆蓋的范圍是最全的，包括從天體力學天體測量，到太陽系的行星、星系，以及宇宙學，這些領域都有老師在做相應的研究。我最大的感受就是，在這里學天文，你能接觸到天文學的各個方向。”本科階段的學習讓年輕的劉慧根大開眼界，讓他意識到天文學所包含的內容是如此豐富，不僅涉及人類熟悉的地球、太陽系，更關系著銀河系、系外星系，乃至整個宇宙的起源與演化。天文學本身異常豐富的內涵以及學識淵博的老師們深入淺出講解，使劉慧根逐漸萌生出對天文學強烈的興趣，并立志走上了科研之路。

大四時，劉慧根的畢業設計課題就與系外行星有一定的關系，他跟隨周濟林老師做一些與系外行星相關的動力學方面的研究。“2006年時該領域的研究還比較少，這就給我們很多展示的空間，我們可以有自己的猜測和理解。”劉慧根謙虛地說道。那時他對將于2009年發射的開普勒望遠鏡已略有耳聞，尤其是被其“尋找類地行星和生命存在的跡象”的神圣使命深深吸引，也想去繼續探索這一類的科學問題。同時如果開普勒望遠鏡成功發射的話，那就意味著將會帶來更多有關系外行星的觀測數據。因此無論從理論還是觀測上，選擇系外行星方向的研究對劉慧根來講都是一個機遇。

機遇總是留給有準備的人。一直勤奮好學的劉慧根在順利獲得保送研究生的資格后，便將系外行星選為科研方向，師從周濟林教授，開始了5年的碩博連讀。“系外行星有很多地方和太陽系不一樣，非常讓人充滿遐想。隨著系外行星的不斷發現，證明了此前以太陽系為模板的行星系統建立理論并不一定是普適的，這就引發了我們的更多思考。”在解決一個問題的過程中，往往會遇到更多新的問題，而當你不斷想去解決新問題時，又會提出更多、更新的問題，這不正是科研的魅力所在嗎？正是在強烈求知欲和探索欲的驅動下，劉慧根一直奔跑在科研的大路上，在探索的同時收獲著快樂。

探索宇宙奧秘 體味科研樂趣

作為一門古老的科學，自有人類文明史以來，天文學就占據著重要的地位，它遵循著觀測—理論—觀測的發展途徑，不斷把人的視野伸展到宇宙新的深處。古代的天文學家通過觀測太陽、月球和其他一些天體及天象，確定了時間、方向和歷法；哥白尼的日心說曾使自然科學從神學中解放出來；康德和拉普拉斯關于太陽系起源的星云說，在18世紀形而上學的自然觀上打開了第一個缺口……可以說，對人類文明起重要作用的事件都和天文研究有著密切的聯系。

“我覺得天文學對于人類建立宇宙觀、價值觀，包括重新認識人類社會，認識地球都有很大的益處。尤其是現在，我們提倡‘人類命運共同體’，當你看過茫茫宇宙之后，再回過頭來看地球，看我們生活的家園時，你可能會有不一樣的體會。”懷著對天文學的無比熱愛，博士畢業后，劉慧根加入了母校，成為一名科研工作者，開啟了人生的新征程。

想要研究天文學，理論與觀測一個也不能少。在學生時代側重于理論學習的劉慧根，如今有了更多觀測的機會。“理論和觀測其實是相輔相成的。雖然在觀測時會有很多重復性的工作，但正所謂‘不積跬步無以至千里’，科學發現就是一點一點逐漸積累下來的。而且在觀測和分析的過程中，不斷會有其他的新東西出來，這種正反饋的存在，不僅能緩解消極的情緒，更能帶來源源不斷的動力。”懂得科研真諦的劉慧根總能在外行人看來枯燥單調的重復觀測和計算中，找到科研的樂趣，獲取新的發現。

尤其是南大作為一所兼有文、理、工科的綜合院校，不僅學術氛圍濃厚，還常常會舉辦各種學科的講座，非常有利于研究的展開。“真正做觀測時就會發現，想要去解釋觀測問題時，需要的背景知識可能不光只是天文學，還有其他學科的背景，這樣更容易產生一些新的想法，換句話說就是需要學科交叉。而南大的很多學科比如說地學、大氣學等，在全國高校的專業排名也很靠前。在南大我很容易跟這些學科的學者溝通交流，或者聽他們的學術報告，這對我在天文或系外行星方向上的研究很有幫助。”從劉慧根的言語中，不難感受到他對母校南大的感恩之情，和那份身為南大人的驕傲與自信。

借助南大這一優質平臺，劉慧根先后參加了國家自然科學基金面重點項目“行星系統觀測分析與軌道構型的形成”、國家自然科學基金國際（地區）合作與交流項目“近鄰紅矮星周圍行星形成機制和大氣研究”，主持了國家自然科學基金青年基金項目“南極天區短周期行星搜尋與短周期行星特征研究”。此外，劉慧根主持的國家自然科學基金面上項目“利用天體測量數據對行星系統進行統計和動力學分析研究”也已通過評選，即將于2020年開展研究。

在該項目中，他及其團隊將基于Gaia數據，并結合TESS巡天，LAMOST等多個項目的最新數據，對系外行星進行統計分析和動力學特征刻畫。“系外行星參數的精度依賴恒星參數精度，因此恒星參數的確定對系外行星研究至關重要。這次我們將利用更準確的恒星、行星參數，以及長時間尺度的掩星中心時刻變化，來分析行星系統動力學特征，期望能獲得行星系統更準確的參數，從而給出太陽系近鄰的行星系統完備的軌道參數，揭示行星系統的長期動力學特征。同時，我們還將研究在大尺度結構下，不同環境對行星系統的影響，從而揭示行星形成和演化的普遍規律。”劉慧根詳細地解釋道。

據了解，行星形成是隨著恒星形成同時進行的，行星在早期原行星盤中的形成受很多因素影響，除了主星本身的質量和金屬豐度等因素外，周圍的環境如輻射環境、動力學環境等也會對行星形成和演化產生重要影響。如何確定行星的環境一直以來都是一個難點。天體測量衛星——Gaia衛星的發射，開啟了高精度天體測量的新紀元。作為迄今建造的最精確的光學天文衛星，Gaia衛星自2013年12月成功發射升空以來，已為天文學界傳送回了關于銀河系中數百萬恒星的位置和運動的準確信息。可以預見，未來的5年內，利用Gaia數據進行系外行星的統計分析，對近鄰行星系統的統計研究將成為系外行星研究的熱點。

精心育人才 促學科發展

科技是第一生產力，而科研人才更是科技發展中最核心的力量。作為一名高校教師，劉慧根肩負著教書育人的神圣使命，他希望能讓學生們清醒地認識到——“天賦對于大部分人而言，并不是最重要的。因為一個人只要足夠努力，也能取得很不錯的成績。在學習和科研過程中，更重要的還是人的主觀能動性。”

“從事科學研究首先要有質疑精神，更要勤奮，做到堅持不懈。科學研究是一個長期堅持的過程，就像2019年獲得諾貝爾物理學獎的皮布爾斯，他從20世紀60年代初期就開始去構建有關宇宙大爆炸的理論，2019年獲獎時已經84歲了。當然了，一個健康的身體是前提條件，就像2019年的諾貝爾化學獎的獲得者——97歲的古迪納夫。”采訪中，劉慧根坦言道。

劉慧根

如同一年有四季，在人生不同的階段也會有不同的需求，求學方面亦是如此。在劉慧根看來，讀大學時，學生們開始有機會接觸一些前沿性的理論，可能也會開展一些科研訓練，這時要培養他們敢于質疑的科研精神；在研究生階段，希望他們將來能成為一名具有創新性的人才，就需要培養他們獨立思考問題的能力。“導師的重要職責就是要能給學生指出一個科研方向，接下來就放手，讓學生自己去探索、去思考、去解決問題。當遇到瓶頸時，導師則要為學生們指明一些方向，使他們能少走一些彎路。”殷切希望學生能早日成才的劉慧根，正用這種教學理念引導著學生們在科研路上大步行進。

此外，劉慧根還強調在科研上也要避免“只見樹木，不見森林”，要學會全面宏觀地看問題。“這個跟現在提倡的通識教育有點異曲同工。學生不僅要對自己的研究方向勤于鉆研、有所建樹，還應當對所學領域有一個宏觀的認識，在各個方向上都有所涉獵，具備該領域不同科研方向的一些基本認識。為未來的發展提供一個更廣闊的選擇空間，才能在選擇時做到游刃有余。”劉慧根解釋道。的確，天文學研究與高精尖的觀測設備密不可分，一旦有新的技術、設備產生，例如，LIGO探測到引力波，就會引出新的科研方向。如果有堅實而博大的知識做基礎，就能更快地投入新方向的研究。

遼闊而深邃的星空，蘊含著無窮的真理。千百年來，璀璨的星光一直啟迪著人類的智慧。在科技快速發展的今天，天文學家們將有機會破解更多的星空奧秘，這是他們的幸運，更是他們的使命。身處中國研究系外行星最大的團組之中，劉慧根將和其他隊員一同借助南大這一優秀科研平臺，通過學科間的交流碰撞產生出更多新想法，結合國內空間科學的快速發展，共同助力中國天文學，在系外行星領域取得更多、更有影響力的科研成果。