他追求的浪漫,属宇宙终极!

  • 孙逍然
  • 日期:2024-04-02
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        在国家重大科学项目最需要时,响应召唤,回国肩负起科学使命,这是2023年中国科学院大学(以下简称“国科大”)“领雁金奖”获得者、国科大天文与空间科学学院长聘教轨助理教授、博士生导师王鑫身上最直观的标签。在这个标签背后,是一颗纯粹的、饱含家国情怀与宇宙终极浪漫的心。

        为什么选择天文?国科大天文与空间科学学院长聘教轨助理教授、博士生导师王鑫给出的答案是康德的一生总结:“有两种东西,我对它们的思考越是深沉和持久,它们在我心灵中唤起的惊奇和敬畏就越日新月异,不断增长,这就是我头上的星空和心中的道德律。”

        在他眼中,天文学是一个陶冶人情操的学科。被追问缘由时,王鑫反问道:“你知道宇宙中含量最高的4种元素和人体内含量最高的4种元素吗?”

         “碳、氢、氧、氮?”回答的声音因不确定而有些迟疑。

         “对,都是碳氢氧氮。其中碳、氮、氧的原子序数比较高,是在恒星内部重元素核聚变形成的,恒星死亡后,大量的碳、氮、氧被抛射到星际介质,经过亿万年的演化成为人体的组分。”引人恍悟之际,王鑫的结论带上了天文人特有的浪漫:

        “所以毫无疑问地说,我们都是恒星的尘埃,是恒星的后代。如果没有恒星,就没有你和我。”

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王鑫

 

群星的指引

        对于辽远深沉的漫天星空,人类本能地抱有无尽的求知欲望与探索兴趣。王鑫与天文的结缘也来自朴素的求索本质,来自这种求索的生发成长。

         小学时的暑假,王鑫常在位于市郊的外婆家度过,郊区夏夜没有灯光的污染,照亮深蓝色天穹的,是漫天的璀璨群星。凝望绝景,懵懂少年的心灵震撼于斯,而未止步于震撼——他好奇这星空为什么是如今仰望时的模样,好奇它的原初与变迁。

         求知的种子一经种下,便渴求知识的养分。中学时,王鑫开始看史蒂芬·霍金的《时间简史》,读史蒂文·温伯格的《最初三分钟》,“当然那个时候完全看不懂”,王鑫笑着说道,但初尝天文学的滋味,在图书馆、科普讲座中找寻答案、发现更多未知的过程,让他对天文以及与之紧密相关的数学、物理知识的学习渴望愈发强烈。

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王鑫

        天文的研究对象包含整个宇宙,再也没有任何科学的研究对象能比天文涵盖的对象更博大、更宽广。

        它研究的可以大到整个宇宙的演化、138亿年里的波澜壮阔;也可以小到原子的碰撞、正负电子的湮灭。这样广阔的研究视野深深吸引着王鑫,报考大学时,他选择了天文学专业。

        当时,只有4所高校开设天文学专业,其中南京大学的天文学专业公认最为优秀。王鑫对南京大学的向往还有一层原因:一个合格的天文研究者需要很强的数理功底,而南京大学的天文学专业培养既重视掌握天文知识,也重视打牢数学、物理的基础。知识的引力,让王鑫奔向梦中的学府。

         良师益友是王鑫求学路上的关键词。

         进入南京大学的第一年,王鑫便跟随黄永锋教授开始进行早期科研,将自己在本科课程中学习到的数学建模方法实际应用在研究中。当模型成功描述遥远宇宙中的物理现象、揭示其中规律时,王鑫找到了所学的数理课程的意义,找到了科研的乐趣,求学与科研的信心备受鼓舞。

         在学习与实践的积极循环中,他早早取得了科研成果,又在成果的正反馈下进一步向着心中的科研目标前进。

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王鑫在中国科学院国家天文台

         读硕士时,王鑫从南京大学派往中国科学院国家天文台(以下简称“国家天文台”),由赵公博研究员团队联合培养。赵公博是王鑫进入宇宙学领域的领路人,直至今日,王鑫回忆起和赵公博一起工作的岁月仍然无限感恩:“赵老师身上有一种纯粹的科研信仰,这种气质潜移默化地感染着每一个靠近他的人。”

         国家天文台詹虎研究员是王鑫的联合培养导师之一,也是王鑫前往加州大学深造的推荐人。如今王鑫回忆詹虎推荐他赴美求学,尤为感激,“当时詹虎老师没有明确地把他的深意告诉我,但我现在终于明白,那是一个毕生难得的契机。”

        这个契机,便是我国空间天文光学波段的旗舰项目,中国空间站巡天工程望远镜(Chinese Space Station Telescope,CSST)。

拼出一条路

        所谓巡天,是通过观察更广阔的天区,更高效、更系统地研究宇宙。

         此前,中国的空间巡天观测几乎可谓空白,在空间天文的可见光波段和近红外波段观测与先进国家存在较大的差距。

         王鑫赴美学习时,正是CSST筹备初创阶段,亟待拥有国际最先进空间天文专长和知识的科学家们为这个大科学项目贡献力量。

         与想象中到“象牙塔”简单地接受知识技术不同,王鑫在美国的求学经历并非一帆风顺。“我访问过七八次空间望远镜研究所(哈勃空间望远镜和詹姆斯·韦伯空间望远镜的控制和协调机构),最尴尬的是不允许我一个人待在工作区域,一定要有人陪护,能一个人待的只有厨房和卫生间。”王鑫意识到,即便加入了全世界最好的观测团组,自己仍需要“杀出一条血路”

         先进的技术之所以“先进”,是因为它由人创造性地提出和落实,“乞讨”要不来,必须依靠自己的奋斗。

         初入研究团队时,王鑫投入大量时间做研究启动工作,啃团队分配的“硬骨头”工作内容,工作难度颇高而显现度不高,有时王鑫也会很焦虑。他通过课题组提供的平台和资源处处请教,有时杳无回音;没有人提供帮助,就自己摸索开发。面对着更加复杂的环境,王鑫掌握了研究团队世界领先的高红移星系巡天观测和数据分析技术,围绕空间无缝光谱观测、空间近紫外巡天观测做出了大量工作,由一个求学者逐渐成长为独立的、富有创造力的研究者。

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王鑫在学术会议上发言

        提起空间天文领域,绕不开哈勃空间望远镜(HST)和詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)这两大空间天文望远镜。攻读博士期间,王鑫针对哈勃空间望远镜的观测模式制定观测项目、优化观测策略,为詹姆斯·韦伯空间望远镜做先期准备工作,充分了解它的观测属性和特点、观测计划和项目的制定。

         他也因此被NASA选为唯一一批詹姆斯·韦伯空间望远镜大师班的成员,承担起向学界介绍JWST工作模式的任务。

         王鑫的微信朋友圈签名是朴树的一句歌词:

        “只有奄奄一息过,那个真正的我,他才能够诞生。” 

        回忆在美求学的种种“奄奄一息”时,王鑫总会补充道,“回过头来看都是正常的、积累的过程”,而后从容地一笑,“所以真正的自己还没有出现。”他求索的心境仍澄澈通明。

 

为宇宙“考古”

        博士后期间,王鑫作为首席科学家,承担了哈勃空间望远镜的两个中型观测项目。从幼时双眼极目远望,到大学时用天文爱好者望远镜观星,再到作为领域最前沿科学家、使用全世界最领先的设备进行观测,王鑫一点一点接近着从小吸引自己的浪漫图景:“宇宙是一个系统,是活的”

        宇宙是一个动态的系统。中国科学院国家天文台台长、国科大天文与空间科学学院副院长刘继峰研究员推动的司天工程每隔30分钟对全天球进行一次扫描,刻画宇宙的动态,发现超新星核坍缩、致密天体(中子星、黑洞等)合并等无数“宇宙大事件”随时随地都在发生。只是其中许多事件因为时间遥远,光度随时间演化而不可见,或是因为距离遥远,到达地球时辐射的谱线已红移而不可见。

        王鑫的研究领域正对应于此。他研究星系的形成和演化,搜寻高红移星系、第一代恒星,为宇宙“考古”。

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星系观测与理论研讨会参会人员合影

(前排左一为王鑫)

        在广为人知的大爆炸前,宇宙是一锅电离的“原子汤”,致密、高温、高压。大爆炸后,宇宙随着膨胀开始降温,质子与电子耦合形成中性氢原子,并放出光子,即为如今观测到的宇宙微波背景。中性氢能够吸收高能光子,宇宙便进入了“黑暗时期”。

        打破黑暗时期的,是宇宙年龄约几千万年时,出现的第一代恒星。与当下的恒星不同,第一代恒星几乎完全由氢和氦组成,寿命极短,可能只有几十万年,但在短暂的演化历史中,它释放出大量的电离氢辐射,电离氢辐射逃逸到星际介质中,电离其中原本充斥的中性氢。

        随着第一代恒星所组成的第一代星系及它们的后继者第二代星系的演化,到宇宙年龄10亿年左右时,星际介质中原本充斥的中性氢基本被电离,整个宇宙的体系完成了相变,一直延续至今,成为我们所见的电离状态,这个过程被称为宇宙再电离,是宇宙演化历史中的关键阶段。

        宇宙再电离的“第一枪”,由第一代恒星扣下“扳机”。对它们的研究,是宇宙演化中可谓最关键、最前沿的一环。

        但搜寻100多亿年前早已消亡的天体的踪迹极为困难,詹姆斯·韦伯空间望远镜的四个主要科学任务之一,便是找到第一代星系。

        研究宇宙演化同样是CSST的重要科学任务之一。

        它具有与哈勃空间望远镜相近的观测口径,而有着比哈勃望远镜大300倍的视场(观测视野范围),观测效率因而遥遥领先。CSST计划在10年内进行17500平方度天区的覆盖观测(约为整个天区的42%),在高分辨率的空间近紫外巡天领域更是具备独有的技术优势:由于大气层对近紫外波长辐射的吸收,近紫外巡天观测只能在空间中进行,要想得到高空间分辨率的数据,需要大口径的空间望远镜。CSST一旦升空,将是世界范围内近紫外巡天观测性能最优越的空间望远镜。

         “这是前所未有的,是会带来一些划时代的成果的。”介绍时,王鑫的语气中透着由衷的自豪与激动。

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王鑫在做宣讲

        博士后阶段,王鑫作为主要的数据分析和处理成员,引领了哈勃空间望远镜迄今为止最大的近紫外巡天观测。

        感怀于国家天文台在自己求学路上的知遇提携,早在2019年,王鑫便作为创组元老,开始远程为CSST的无缝光谱和多色成像的软件管线搭建原型,梳理、构建数据处理流程。

        2022年,他学成归国,发挥自己在无缝光谱观测和近紫外巡天观测的专长。

        “我现在终于明白了詹老师让我出国学习的深意,我习得了这些专长之后,正好可以为CSST来服务,这是一个历史契机。我觉得一生能有这种机会的时刻并不多,我要抓住这个机会。

        科研工作之外,回国后的王鑫多了一份全新的责任:他成为国科大2023级天文学专业本科生的青年班主任。本科生们开阔的思想、优秀的计算机能力,都让王鑫颇感惊喜。其中,与来自新疆、西藏同学的接触也让他印象深刻,“有一个学生,报考的时候只报了两个志愿,一个是国科大天文系,一个是南大天文系。”

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王鑫在国家天文台

        王鑫欣喜于学生们对天文的浓厚兴趣,更惊艳于他们的能力与潜力。

        “无论是本科生还是进入课题组工作的研究生,他们的能力其实都远远高于我当时的状态,给他们足够的资源,他们一定可以长江后浪推前浪,把中国的天文带到一个很高的层次。”年轻的领雁为中国天文带来了前路的讯息,成为这即将腾飞的鲲鹏羽翼中的一翎,更期待着亲身经历、见证中国天文的蜕变。

采访手记

        王鑫身上有着传统印象里科学家的知性与谦逊。交流时,他得知笔者学的是生物专业,特别关照地在谈话中许多地方加入了生物的类比。采访国科大2023级天文专业同学时,他们也表露“王老师引导我们探索自己喜欢的领域,希望我们有自己的兴趣”。以下谨以王鑫讲述自己学习天文前后望向星空时所想的变化为例。

        “现在看星空,我觉得是更加地appreciate(领会,其英文义“理解事物的真实本质及其重要性”更贴合此处语义)。小的时候只能看到星星,在从事了天文研究之后,我就知道我研究的那个(信号)源在哪儿。有些源你用小口径望远镜看不到,除非是用10米口径的,或者是韦伯、哈勃才能看到,但是我知道他在那个区域,那不是一个虚空。虽然你用肉眼看不到那个源,但是那是有一整个星系在那,甚至可能有和我们银河系质量差不多的、有几千亿颗恒星的星系在那个区域。这可能就和学生物很像,你看不见这些微生物、看不见细胞,但是你如果学了相关的课程,你就知道它在那,就appreciate这个系统。”

        这样的类比瞬间让笔者明白了个中含义,学科之间仿佛也建立了某种巧妙的哲学联系。

        沉静之外,王鑫热爱运动——笔者翻阅国科大田径运动会赛会记录时,意外发现教工男子组4×100米接力赛一项,他的名字赫然在列。提起此事时,他笑着摆摆手:“和我同组的是天文学院的三个博士后,他们年轻人嘛,实力很强,我就是piggyback(沾光)。”登山、冲浪、游泳、骑自行车,一个更加鲜活、丰富的青年科学家形象渐渐浮现。

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王鑫与科研伙伴在太平山

 

本文原载于《国科大》杂志

原标题《王鑫:追问宇宙起源的尘埃》