科學(xué)為名 探秘繁星

謝明昊

“長(zhǎng)河漸落曉星沉”“星垂平野闊，月涌大江流”……從古至今，流傳著許多描寫星辰的千古名篇，字字句句中都可見人類對(duì)于星空的好奇與向往。隨著科學(xué)手段的不斷發(fā)展，人類漸漸開始對(duì)地球、宇宙都有了初步的認(rèn)知：原來俯仰之間的漫天星辰，只是宇宙中無數(shù)星體成員的映射。但奇妙而客觀的觀測(cè)數(shù)據(jù)并未澆熄人類對(duì)宇宙的美好想象，反而激發(fā)出了一代代科學(xué)從業(yè)者更為熱切的求索之心，甚至由此而衍生出對(duì)地球和行星動(dòng)力過程的研究。

地球和行星動(dòng)力學(xué)是研究地球、行星、衛(wèi)星和行星系（特別是太陽系），以及它們形成過程的科學(xué)。研究對(duì)象從地球本身到小的微流星體，大的氣態(tài)巨行星;研究目標(biāo)集中在它們組成、結(jié)構(gòu)、動(dòng)力機(jī)制以及相互之間的關(guān)系和演化。起源于地球動(dòng)力學(xué)，通過結(jié)合天文學(xué)、地球和行星動(dòng)力學(xué)高度整合的地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)和沖擊動(dòng)力過程來系統(tǒng)約束地球和行星的驅(qū)動(dòng)過程，掌握它們的演化規(guī)律，并預(yù)測(cè)它們的演化結(jié)果。此外，行星動(dòng)力學(xué)與天文學(xué)存在一定區(qū)別，行星動(dòng)力學(xué)的研究集中在人類已經(jīng)取得觀測(cè)數(shù)據(jù)和樣品，旨在深挖其背后演化的成因與過程。以北京大學(xué)地球與空間科學(xué)院副教授張南的主研領(lǐng)域?yàn)槔?，他帶領(lǐng)北京大學(xué)地球與行星動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室在地球超大陸演化、月球表面構(gòu)造與內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及冰衛(wèi)星冰川變形的相關(guān)研究中深耕多年，以現(xiàn)有的觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，承擔(dān)了眾多國(guó)家級(jí)重大項(xiàng)目，為我國(guó)嫦娥探月、火星研究等提出了大量有意義的科學(xué)問題。

心之所指?興趣使然

與多數(shù)科學(xué)研究者一樣，張南對(duì)于科學(xué)研究的熱忱發(fā)源于自身的興趣，但其獨(dú)特之處在于，他最初的興趣點(diǎn)聚焦在科學(xué)探究的“裝備”之上，“我考大學(xué)是在1996年，當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)還沒有全民普及。我和北京大學(xué)招生老師仔細(xì)地討論了地震地質(zhì)實(shí)驗(yàn)很多是要用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬的，這對(duì)我來說有非常大的吸引力，再加上有老一輩親戚在中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院從事地球科學(xué)方面的研究，講解了一些基礎(chǔ)的研究?jī)?nèi)容和方法，我覺得很有意思。盡管身邊也有一些人說地質(zhì)專業(yè)比較冷門，但是我并不在乎”。一次正確的選擇影響力會(huì)有多大，這是少年時(shí)的張南尚未想象到的。

順利考入人人艷羨的頂級(jí)學(xué)府，張南并未因此而放松對(duì)自己的要求。在北京大學(xué)度過的7年求學(xué)生涯之中，他努力汲取相關(guān)專業(yè)知識(shí)，按照初心進(jìn)行了地球動(dòng)力學(xué)建模方面的研究，并且開始關(guān)注行星動(dòng)力學(xué)研究。不斷擴(kuò)充自身科學(xué)視野的張南在碩士畢業(yè)后產(chǎn)生了更為深遠(yuǎn)的想法，他想走出國(guó)門看一看。一向行動(dòng)力極強(qiáng)的他選擇的第一站便是加拿大多倫多大學(xué)地質(zhì)系。然而，同樣從事地球物理學(xué)專業(yè)的研究，在多倫多大學(xué)從事的項(xiàng)目局限的區(qū)域非常小，無法滿足張南對(duì)地球和行星動(dòng)力學(xué)演化的興趣?！霸诩幽么蟮膬赡曛校芯恳惶焯煸谕七M(jìn)，但我卻覺得與我感興趣的內(nèi)容漸行漸遠(yuǎn)，所以我覺得應(yīng)該換一個(gè)更宏大的方向重新開始?！边@并非一句空談，對(duì)學(xué)術(shù)的純粹追求給予了張南莫大的勇氣。不久后，他便前往美國(guó)科羅拉多大學(xué)物理系開啟了自己的博士生涯。

博士畢業(yè)后，張南先后前往布朗大學(xué)和伍茲霍爾（Woods?Hole）海洋研究所工作，繁忙的工作填滿了他的生活，密密麻麻的工作日程表讓他無暇顧及對(duì)祖國(guó)的思念。然而隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)與科學(xué)的飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)的環(huán)境相較之前有了質(zhì)的飛躍。因此，在旅居海外11年后，當(dāng)張南于2015年年底再次踏上祖國(guó)的土地時(shí)，不得不由衷感嘆北京翻天覆地的改變。但歸國(guó)的喜悅也并未沖淡他所面對(duì)的壓力與挑戰(zhàn)，在入職北京大學(xué)并順利承接國(guó)家高層次人才計(jì)劃項(xiàng)目的同時(shí)，張南又收到聯(lián)合申請(qǐng)的聯(lián)合國(guó)教科文組織的地球科學(xué)項(xiàng)目“超大陸演化周期與地球動(dòng)力學(xué)（Supercontinent?Cycle?and?Global?Geodynamics）”通過的通知。于是在接下來長(zhǎng)達(dá)4年的時(shí)間里，他每隔幾個(gè)月就要跨越一次南北半球，充分體驗(yàn)反季節(jié)的“穿越式改變”。

頻繁的長(zhǎng)途飛行與強(qiáng)烈溫差，再加上科研工作的壓力，最終使張南不得不面對(duì)心血管疾病的侵?jǐn)_。饒是如此，張南也并未動(dòng)搖對(duì)行星動(dòng)力學(xué)的向往與信念，并在如此忙碌的兩年中，還在學(xué)校的大力支持下完成了地球和行星動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)工作，為更多“仰望星空”的學(xué)子創(chuàng)建了探秘宇宙的平臺(tái)與機(jī)會(huì)。

解密月球?能量起源

“其實(shí)我的研究方向聽起來有點(diǎn)科幻。”張南不無打趣地說道。誠(chéng)然，由于宇宙具有“時(shí)間無盡永前、空間無界永在、質(zhì)量無限永有”的獨(dú)特神秘性，所以“外太空”一直是眾多科幻小說家偏愛的著力點(diǎn)，同時(shí)也是科學(xué)界的寵兒。在一眾天體之中，“月球”又有著獨(dú)一無二的特質(zhì)——它是地球唯一的天然衛(wèi)星。作為距離地球最近的一顆星球，它從人類開始探索太空之初就使無數(shù)科研工作者為之側(cè)目。從1959年的“Luna2”到2021年的“嫦娥五號(hào)”，至今人類已經(jīng)有了近60次與月球相關(guān)的太空探索。

通過大量的觀測(cè)與分析，目前，月球被普遍認(rèn)為起源于一次45億年前的撞擊。當(dāng)一個(gè)火星大小的星體猛烈撞擊原始地球，月球便從地球分裂出來，最近的觀測(cè)數(shù)據(jù)也顯示其硅酸巖部分的化學(xué)成分與地球的硅酸巖部分十分相似，從而佐證了這一假說。但是，以張南為代表的科學(xué)家卻從月球觀察到的區(qū)域結(jié)構(gòu)和特征提煉出了整體結(jié)構(gòu)演化的重大科學(xué)問題。據(jù)悉，月球的表面幾乎沒有大氣，只有從風(fēng)化層飄起的塵埃。另外，月球與地球潮汐鎖定，其近地面（指永遠(yuǎn)朝向地球的半球）和被地面地表地形呈正面低地、背面高地的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)：正面是廣泛分布的月海玄武巖，其中富含鉀（K）元素、稀土元素（REE）和磷（P）元素，這在月球研究中一般簡(jiǎn)稱為KREEP;而背面則分布著大量且極為古老的斜長(zhǎng)巖，這一不對(duì)稱的分布形態(tài)與月球的熱演化密切相關(guān)，也是月球演化最重要的約束。那么，究竟是什么原因造就了這一特殊現(xiàn)象呢？

為進(jìn)一步探究，張南在2017年正式啟動(dòng)了國(guó)家自然基金委面上項(xiàng)目“放射性生熱元素在月球里的運(yùn)移對(duì)月球不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的影響”，試圖從行星內(nèi)部動(dòng)力學(xué)及天體撞擊動(dòng)力學(xué)方面來理解此結(jié)構(gòu)。在研究中，張南帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)展完善了三維月幔耦合一維月核數(shù)值模擬的方法和三維隕石撞擊動(dòng)力學(xué)方法。結(jié)合最新觀測(cè)，從月球巖漿洋后期分層結(jié)晶開始，系統(tǒng)研究月球生熱元素在月幔反轉(zhuǎn)和月球火山過程中的演化。值得一提的是，此項(xiàng)目為全球首次整合三維撞擊動(dòng)力學(xué)和三維核幔耦合對(duì)流動(dòng)力學(xué)，從而形成了連續(xù)演化模型。這一突破的取得存在著極強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，極大程度上迎合了我國(guó)探月工程中列出的重大探索目標(biāo)與科學(xué)焦點(diǎn)：第一個(gè)是背面地表和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，KREEP運(yùn)移演化涉及全月球的時(shí)空分部，能為背面探索提出基本科學(xué)問題并做好準(zhǔn)備;第二個(gè)是鈦鐵礦的分布，鈦鐵礦是上好的工程用礦物，也是潛在的生氧生水的礦物，對(duì)人類開展月球登陸和基地建設(shè)起到關(guān)鍵的支撐。此外，從更廣義的方面來講，由于月球是從地球分離出的星體，因此對(duì)地球早期狀態(tài)的探究工作也可從月球表面保存的巖石和隕石中得到許多有效信息。

雖然項(xiàng)目的成績(jī)是顯而易見的，但其實(shí)這也只是張南團(tuán)隊(duì)研究領(lǐng)域中的一個(gè)方向而已。在項(xiàng)目完成之后，他并未在成果帶來的欣喜之中多做停留，而是轉(zhuǎn)身又投入了茫茫學(xué)海之中。

大陸巨變?滄海桑田

事實(shí)上，從2004年張南開啟研究生涯以來，一直貫穿其中的一個(gè)課題便是針對(duì)超大陸演化的研究。經(jīng)無數(shù)地質(zhì)學(xué)家研究證明，如今的7個(gè)大洲在2.3億年前原本存在于一個(gè)大陸之上，被稱為潘多拉泛大陸。大陸漂移學(xué)說普遍認(rèn)為，此大陸在1.9億年以前逐步解體，才形成了如今的大陸和大洋。然而，最新研究表明，現(xiàn)如今這些板塊正在以每年約4.9cm的平均速度移動(dòng)，因此科學(xué)家們預(yù)測(cè)，在約2.5億年后，這種移動(dòng)終將導(dǎo)致地球七大洲重新聚集在一起，再次形成超級(jí)大陸。

由張南組建的地球與行星動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期以來都引領(lǐng)著全世界在超大陸-地幔動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的前沿探索。通過對(duì)超大陸匯聚與裂解、全球造山帶和海底火山、全球地幔對(duì)流模式和地圈、地核圈耦合的研究，張南的課題組提出了新的大陸演化模式。并重新預(yù)測(cè)了下一期的超大陸事件，其可能發(fā)生在3.5億年以后。這一機(jī)制的研究改寫了半個(gè)世紀(jì)以來板塊動(dòng)力學(xué)演化的經(jīng)典理論——“威爾遜旋回理論”（Wilson?Cycle），目前仍有待全世界板塊動(dòng)力學(xué)家和地球動(dòng)力學(xué)家的驗(yàn)證和討論。

由于此種學(xué)說衡量的時(shí)間尺度是地質(zhì)時(shí)間，所以其當(dāng)下的現(xiàn)實(shí)意義往往會(huì)被人們所忽略。但是據(jù)張南介紹，超大陸的成因及演化研究其實(shí)與地球環(huán)境息息相關(guān)，最直接的一個(gè)應(yīng)用方向便是針對(duì)數(shù)年前在科學(xué)界掀起熱潮的“火星殖拓”。行星科學(xué)界有觀點(diǎn)稱，火星是目前星體之中最適宜人類進(jìn)行殖拓遷移的星球之一，除卻其本身的硅酸鹽結(jié)構(gòu)與地球的物質(zhì)組成極為類似外，它同時(shí)也是和地球一天時(shí)間最接近的類地行星（24小時(shí)37分）。雖有種種優(yōu)勢(shì)，但是火星環(huán)境相較于生命的適宜生存環(huán)境來看，仍有不小差距。除了顯而易見的溫差需要進(jìn)一步縮減之外，最“致命”的問題則是因?yàn)榇髿鈱樱鹦堑拇髿饷芏壬踔敛蛔愕厍虻?%，怎樣人造一個(gè)適宜人類殖拓的環(huán)境，生成足夠的二氧化碳濃度的火星大氣是人類正在面臨的實(shí)際挑戰(zhàn)。

但是近期，在火星表面觀測(cè)的證據(jù)表明火星局部有類板塊構(gòu)造。而且，火星地殼中呈線性形狀和極性交替的磁異常已被軌道衛(wèi)星探測(cè)到。構(gòu)造學(xué)家認(rèn)為，它們與在地球海底發(fā)現(xiàn)的類似條紋具有共同的起源，可能火星在過去有類大洋中脊擴(kuò)張的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，構(gòu)造學(xué)家也識(shí)別出大規(guī)模的走滑斷層帶，可以將其比作地球上的板塊邊界轉(zhuǎn)換斷層（例如圣安地列斯斷層）。這些類板塊構(gòu)造觀測(cè)提供了使用地球上充分發(fā)展的板塊破裂方法在火星上制造火山和二氧化碳?xì)怏w的方法，其中的一些訣竅就在于超大陸板塊動(dòng)力學(xué)的研究。由此可見，其實(shí)萬億年間的滄海巨變距離現(xiàn)實(shí)生活也并不遙遠(yuǎn)，其影響力就切實(shí)發(fā)生在每一個(gè)人身邊。

事實(shí)上，行星科學(xué)最初發(fā)源于無數(shù)來自古中國(guó)、古希臘、古阿納薩齊等遠(yuǎn)古人類文明的手稿與圖畫之中，對(duì)行星的觀測(cè)甚至可以追溯至文字記錄前的世界，那些躍然紙上的筆筆涂繪都在跨越千萬年向我們?cè)V說著古人對(duì)天體現(xiàn)象的向往與興趣。雖然，隨著科學(xué)的發(fā)展，我們已經(jīng)可以解答部分來自遠(yuǎn)古的疑問，但迄今，遙遠(yuǎn)的星辰在人類看來仍舊是一個(gè)個(gè)巨大的謎團(tuán)。因此，在未來，繼續(xù)徜徉在萬千星象和滄海桑田中的張南團(tuán)隊(duì)，仍須將這份求索精神薪火相傳，在探測(cè)手段及專業(yè)知識(shí)的不斷更迭中探索更多大自然遺留下的秘密與啟示。

（責(zé)編：關(guān)弋）