宇宙中的重元素从何而来?清华大学蔡峥教授团队揭秘
记者 刘冕
2021-10-28 10:02

  “遂古之初,谁传道之?上下未形,何由考之?”屈原的《天问》流传了两千余年,不同时代的人都曾尝试破题。

  当下,一批科研工作者正在努力给出“标准答案”。清华大学天文系副教授蔡峥就是其中一员。今年9月底,蔡峥团队发布了阶段性研究新成果,揭秘宇宙重元素来源之谜,对研究宇宙早期星系的形成、星系后续的演化乃至生命的起源都具有意义。

  未来七八年间,蔡峥团队参与建设的世界最大且急需的宽视场光谱巡天望远镜(MUST)有望启用,将浩渺宇宙以一种前所未有的清晰度呈现在我们面前。

  到那时,科普小说里浪漫的描述,或将成为现实——“我们抬头看时,总觉得星星遥远。但其实宇宙大爆炸时形成的原子,就是形成我们身体的原子。所以,星星并不远,因为我们就是星星本身。”

蔡峥团队利用国际最大的亚毫米波望远镜阿尔玛阵列(ALMA阵列)揭秘宇宙重元素来源之谜

  寰宇寻真

  在宇宙中,绝大部分物质不在星系里,而是在星系之间,这部分弥散在星系广袤空间里的物质被称为星系际介质。理论上,在宇宙大爆炸后不久,宇宙中只存在大量的氢、氦和少量的锂,而没有更重的元素,如碳元素和氧元素。但是天文学家们利用光谱确认了星系际介质中已经存在较重的元素。

  “这就引出了一个关键问题,这些重元素从哪儿来?”蔡峥将故事的起因娓娓道来。现代宇宙学模拟给出一种“答案”——重元素主要是被小质量星系的恒星星风等抛射出来的。这就意味着小质量星系的活动似乎是重元素起源的原因,但在观测上,大多数光学波段的搜寻和探索都无功而返,所以这一假设并没有被证实。

  “我们很快意识到只进行光学波段的观测是不够的,”蔡峥解释道,“就像是沙尘暴的时候,我们看不到太阳,星系也很可能被尘埃所遮蔽。”为此,蔡峥团队打算利用国际上最大的射电望远镜群——位于智利北部的阿尔玛阵列(ALMA阵列),对“宇宙早期重元素起源”问题进行深入研究。“亚毫米波段不受尘埃影响,可能找到‘隐身’的星系。”

  2018年,经过与全球科学家“竞标”,蔡峥团队的提案以国际前列的排名抢到了竞争激烈的国际最大亚毫米波望远镜阿尔玛阵列(ALMA)的使用权,他们利用有限的30小时观测时间,获得了大约2TB的数据量,这个数量级至少可以储存两千部高清电影。紧接着就是对海量数据进行读取和分析研究,“编程大约需要1个月,随后是电脑跑数据,反复验算。”蔡峥推了推眼镜,寥寥几句带过。

  最终,经过严苛的“海选”后,蔡峥团队将视野锁定在一个星系,并将其与数值模拟的结果进行对比,发现它比预想中重了1至2个量级。蔡峥说:“这表明大质量星系对重元素起源的贡献可能比先前预想的重要得多,表明宇宙中的重元素来自大质量星系的反馈作用,而并非来源于假设中的小质量星系。”如今,这一研究结果已经被国际知名天文期刊《自然·天文》(Nature Astronomy)发表,引发了天文学界不小的震动。

  而鲜为人知的是,这次暗夜寻光差点陨灭。“只有信噪比超过4,才算是一次真实的探测。如果低于这个数值,就很可能是噪声等其他干扰因素引起的。最初,我们曾误算得出信噪比为6的‘漂亮数据’,可还没顾上庆祝,课题组成员吴昀荆就发现了纰漏。”蔡峥说,当时摆在面前的有两条路:一条是放弃前面几百个日夜的煎熬,从头再来,结论未知;一条是以一种相对省力的方式对当前研究过程进行修改,以达到标准。

  “一切归零。整个寒假,我们泡在办公室里,反复核对、检验数据。”蔡峥说,最终的数据结果踩在真实观测的“门槛”以上,如果再低一些,也许就不会被认可。而这也是论文发表前,严格的专家们与团队反复争论的内容。“最后终于用事实与数据把专家们都征服了。”蔡峥笑着,脸上流露出一丝欣慰的笑容。

  暗夜寻光

  在蔡峥位于清华大学的办公室内有一块小黑板,上面密密麻麻地写着各种公式、数字和草图,红色、蓝色的字迹叠压着,挤占着每一寸板面。角落里,不知道是哪位濒临“崩溃”的研究生用笔重重地写了一句“我不理解”,还赌气般地画了个皱眉的表情。不过字迹已经被叠画上了数轴图,旁边还列了几行公式。这块黑板无声地描绘着科研的过程:一定会遇到挫折,会感到沮丧,会吐槽,但不会放弃,不会停下。

  蔡峥当然也经历过很多次失意。他回忆起自己在美国读研究生时的第一次独立观测,形容为自己人生的“至暗”时刻。直到现在,他还是会拍一下脑门,苦笑着说:“观测前,导师就告诉我这次机会很珍贵,要争分夺秒,一秒钟就是一美金。”轮到蔡峥观测,他紧紧盯着望远镜,但透过镜片看到的只有一片“寂寞”——之前选定的目标星压根没出现。

  “观测结束后,我反复在山上走来走去,那里没有月亮更没有灯,黑漆漆一片。但我都顾不上害怕,因为心情太低落了。”沮丧之余,他还给自己算了笔账,这次无功而返浪费了三个月的工资,“更难过了”,回忆起十年前青涩的自己,蔡峥低下头无奈地笑了笑,发丝已有零星几缕白色。

  当时,蔡峥要找的是一颗隐匿在漆黑天穹中的暗星。常规的观测方法是先用望远镜精准地指向它附近的一颗亮星,提前计算亮星和目标源的间距,根据结果将望远镜精准地挪过去。可这颗亮星是一位“运动健将”,一刻不停地运动,两星间距自然也和提前算好的数据不一样。“后来导师说,网页下面有一行小字,提醒这是一颗高速运动的星。我怎么就没看到?”蔡峥说,这个教训他能记一辈子,“我是个自尊心挺强的人,导师指出的任何问题我都印象深刻,包括他对我英文发音的纠正。”是教训,也是动力。

  留学期间,由于学业繁重,加之刚到美国时语言交流的困难,蔡峥成了天文大楼的开灯人和关灯人。在美国加州大学圣克鲁兹分校从事博士后研究期间,蔡峥获得了美国太空总署(NASA)授予的“哈勃学者”称号,因为他发现了宇宙早期大尺度结构以及宇宙早期最亮的星云。

  说是最亮,但由于距离太过遥远,这片星云在地球上凭借肉眼根本无法观测,需要用4米宽巡天望远镜对准曝光两个小时才可能看到。“这次我没有再选高速运动的星当参照。”蔡峥倒不介意拿自己曾经的惨痛经历当“梗”,“但观测三天,前两天一直下雪,望远镜根本开不了,直到最后一天早上,雪还没有停的迹象。但我还是从宿舍出发了,雪大无法开车,只能走路上山,我深一脚浅一脚地向山顶爬,走了一个多钟头。”到达山顶处时,衣服都被雪和汗浸湿了,“只能用狼狈形容。”他说。

  转折出现了,当天后半夜,天空放晴,但这并不意味着胜利。调整望远镜位置、决定仪器类型、更换滤光片、随时检查数据……任何步骤都需要最准确的判断。蔡峥举了个例子,圆规的最小刻度是1度,而望远镜的指向和跟踪精度需准确到圆规最小刻度的三万六千分之一,“也就是说,我们需要操控几十吨重的望远镜达到如此精准的角度,才可能实现观测。”

  “每一次观测、每一次实验、每一个工程都可能失败,但只要坚持初心,就一定能有成果。”就这样,蔡峥靠着“白天解不开,晚上继续耗”的执着劲儿,与相距130亿光年的一片星云相逢。从此,这片云洗去一路尘埃,散发出最动人的光芒。

  天外寻梦

  探索宇宙的志向是蔡峥上初中时就埋下的种子。那时,他对物理非常感兴趣。到了高中,更是痴迷于科普书籍和电影。与预想不同的是,蔡峥对天文的热爱少了点浪漫情怀,多了份理性,“我怕冷,深夜到荒郊野外看星星,对于我而言绝算不上享受。但我选择天文物理,还能坚持做下去,最初的动力就是想探究宇宙背后的规律。”在北京五中念高三时,蔡峥凭借第二十届全国物理竞赛北京一等奖的优异成绩,进入了中国科学技术大学物理系。随着专业学习的逐渐深入,他了解到我国在天文领域相对落后的现状。于是本科毕业后,选择了出国留学。

  临行前,蔡峥的爷爷反复叮嘱,学习到先进的知识后,一定要回来建设祖国。“爷爷1935年参加革命,参加了抗日战争、解放战争。奶奶也一直跟随爷爷走南闯北,身经百战,在长津湖战役中荣立二等战功,是杨根思的同连战友。他们用实际行动影响了我,要做一个对国家、对人民有用的人。”

  求学之路并非一帆风顺,蔡峥也曾对专业有过动摇。“只要跟家里提到是否应该转专业,父亲就觉得我是不是遇到什么困难了。”蔡峥笑着坦白,“肯定是遇到些不顺心的事才会提,但年轻气盛,就是不想承认。”就这样,转专业成为了几次生活“调剂”,轻描淡写地划过了。

  走出去,确实看到了更广阔的天。蔡峥认识到,单纯凭兴趣,用“一张纸一支笔推导公式”的路也许在今天不好走。在大数据时代,要想实现重大突破,科研仪器必须先行。“因为缺少相关的大科学装置,中国的科学家只能借助外国装置进行研究,遇到的困难可想而知。”身在异国,蔡峥在不断充实自己的同时,也时刻关注着祖国的发展。被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜(FAST)建成投用,创世界之最。“天眼一经启用,威力大杀八方。但这绝对还只是个开始。”

  2018年年底,蔡峥即将博士后出站。一天,在美国出差的清华大学天文学系主任毛淑德找到蔡峥,向他透露清华正在筹备建立天文系,并递出了橄榄枝。蔡峥没有丝毫犹豫,就做出了回国任教的决定。“当时我特别高兴。以前每次回国,都要买往返机票,这一次终于只需要一张回国的单程机票了。”他说这是自己做过的最正确的决定,“扪心自问,我不想过那种看似安逸,一眼可以望到退休的生活,我希望像爷爷教育我的那样,真正做一个对祖国有用的人。”蔡峥的眼神中露出坚定的目光。

  来到清华后,蔡峥做的第一件大事就是写入党申请书。在一次接受校友采访时,他说:“曾经因为学业繁重,没有规划好时间,没能来得及递交入党申请书就出了国,但我心里一直惦记着。”

  2019年10月,蔡峥正式向党组织递交了入党申请书。今年5月24日,他终于如愿加入了中国共产党,校长邱勇亲自当他的校级联系人。“校长时常勉励我,创新之路不易,要锲而不舍,久久为功,甚至要准备好‘九死一生’。”

  九天巡游

  儿时仰望星空、探索宇宙的梦想,正在蔡峥的不懈努力下一点点变成现实。清华天文系联合精仪系等院系正在全力推进世界最大的6.5米宽视场光谱巡天望远镜(MUST)的建设。蔡峥承担着望远镜主镜的设计和购置,并在科学目标论证、关键指标选择上发挥关键作用。

  这台巡天望远镜已确定选址在青海冷湖塞什腾山,海拔4576米。“这里气候干燥,每年降雨量约10毫米,但蒸发量却能达到上千毫米。”说到自己正在实现的梦想,蔡峥一下子打开了话匣子,“天很干净,星星不眨眼。8万平方公里的地界,只有一二百户居民,几乎没有光污染。”

  “这里有你绝对没见过的星空,”蔡峥说着,脸上藏不住的笑意,“你可以看到星星在东升西落,银河系像拱门一样从地平线这头连到那头。”他用双手描绘着这幅图景,仿佛自己正置身于这片美丽的星空之下。他略带享受地停顿了一下,紧接着补充道:“大气越稳定,视宁度越好,望远镜显示图像的清晰度就会高。”

  然而,实现梦想的道路并非一帆风顺。由于青海冷湖地区海拔高,氧气稀薄,每次到现场勘察蔡峥都不得不戴上吸氧管。“其实高反并不严重,但我在那里的每分每秒都需要思考,为了保证大脑能够清晰地作出决定,我会吸些氧气。”蔡峥说,他已经七次前往青海实地考察了。

  长途跋涉建一个望远镜,到底图什么?为了用中国自己的先进科学装备,探寻宇宙的未解之谜。“现在国外6米以上的‘镜子’有二三十台,而我们一个都没有。做科研,既要有理论突破,也要做实验验证,观测检验也极其关键。”蔡峥透露,6.5米宽视场光谱巡天望远镜的建成将对宇宙学暗能量演化、引力波宇宙学、星系形成、系外行星探测等前沿领域作出国际领先的重要贡献。

  “未来十年,世界主流望远镜有两个发展方向。一个是广域巡天望远镜,类似于给星空拍摄二维照片。一个是精测型望远镜,聚焦某个点位狂拍,形成光谱。”蔡峥解释,宽视场光谱巡天望远镜是一个相对空白的领域,它一次曝光可以捕捉到上万个天体的光谱,真正实现巡游九天。

  如今,在清华大学的大力支持下,这个科学前沿项目的初步设计方案已经完成,主镜开始制作。“整个建设周期需要七八年的时间。”蔡峥说,这是个需要多部门合作完成的项目,磨合是当下的“必修课”。“望远镜有主镜,有副镜,也有人管它叫次镜,也有些工科老师刚开始不知道是什么。”仅仅统一名称这件事就花了几个月的时间。“不过好在彼此沟通渠道很顺畅,我和精密仪器系教授黄磊是邻居,家里、楼道里都是‘会议室’。有时遇到问题,我俩能在大雪地里探讨半天。”蔡峥还经常和清华水利系、集成电路学院的老师们踢球,中场休息时的话题也总是围绕着望远镜。

  探讨过程中难免出现思想的碰撞。“在我看来,工程难点在于精密光学部分,凸面镜的验测技术和大尺寸透镜的质量必须过硬,但工科教授认为难点在于机械部分……关键是用事实说服彼此。”蔡峥开玩笑地说,为了“吵”赢,大家都已经成为了彼此领域中的专家。

  还有些压力来自外行。比如有人觉得动辄十几亿的项目不划算,产生不了实际价值。蔡峥对此坚决不同意。“造大科学装置绝对是‘划算’的。因为它带来的科学热,对于下一代的启迪,价值不可估量。”另外,大科学装置必然带动一批先进的技术快速发展并落地。“现在智能手机上广泛应用的电荷耦合元件(CCD),最初就是为了满足哈勃望远镜需求研制出来的。”蔡峥说。

  作为一位7岁女孩的父亲,蔡峥还有个梦想,希望依托巡天望远镜所观测的大数据为北京打造一处“天文少年宫”,让更多孩子靠近光、感受光、温暖光、成为光。“我不能摘一个月亮,也不能摘一颗星星,我只能摘一朵野花送给你……”在清华大学拍摄的纪录片《大学》中,有一段蔡峥牵着手拿望远镜的女儿,坐在山顶的草地上,弹着吉他缓缓吟唱的镜头,他唱出了对这片星空的热爱,也唱出了一位父亲朴素的心声。

  在不远的未来,中国巡天望远镜的“第一缕光”即将照亮,科研人员将用中国自己的设备精准丈量宇宙,开启超精密宇宙学的时代。“我们希望可以将哈勃常数精确到1%,真正看清宇宙的起源,颠覆目前的标准宇宙学模型。”


(原标题:造“眼”巡天) 

来源:北京日报 本报记者 刘冕 实习生 何蕊

流程编辑:L019

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    2021-10-28 10:02

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