天文學家崔辰州:與公眾和天文愛好者分享同一片「星空」

2021-01-14 騰訊網

在鄉村夜晚的田野上,在城市的天際線外,在科普紀錄片中,你一定見過「宇宙」。

浩瀚的,壯麗的,足以震撼靈魂的「宇宙」。

而你沒見過的,是它隱藏在可見光波段外的,令人迷醉的更多「側面」。

「這是紅外波段觀測到的宇宙。」打開虛擬天文臺網站,國家天文科學數據中心執行主任、國家天文臺研究員崔辰州拖動滑鼠,展示著一幅神秘而壯美的紅色「星圖」。只不過,上面美麗的星星點點,不再是恆星,而是宇宙塵埃。

虛擬天文臺中紅外波段的宇宙塵埃圖

「這是一片多波段的『數字星空』,也是一個全球性的天文資料庫。」

崔辰州說,他們在構建一片「虛擬宇宙」。相對於浩渺難尋、遙不可及的真實宇宙而言,這片「虛擬宇宙」更友好、更「觸手可及」。

《自然》課本與「天文夢」

「春風送暖學認星,北鬥高懸柄指東。鬥口兩星指北極,找到北極方向清。」

時至今日,已成為國家天文臺博士生導師的崔辰州,仍能熟稔地背出三十多年前在小學自然課上,老師教給他的、淺白上口的「認星詩」。

崔辰州

當年小學四五年級的《自然》課本上,有四幅彩色印刷的春夏秋冬四季星圖,是我國許多天文愛好者的「啟蒙師」與兒時記憶,崔辰州也不例外。他在遠離城市喧囂的河北鄉間長大,童年的夜空在他的記憶裡靜謐又「熱鬧」非凡。每當仰望頭頂繁星點點,崔辰州總會拿出課本,「按圖索驥」尋找當季星座的位置,這也是他至今珍藏的一份回憶。

小學《自然》課本上的四季星圖-夏夜星圖-南天

小學《自然》課本上的四季星圖-夏夜星圖-北天

「那時,書籍相對匱乏,《自然》課本上的星圖是我『接近』星空的唯一途徑。」或許是星圖上那寄託著絢爛未知的藍色夜空,也或許是大大小小、星星點點的天體「串聯」起的神秘星座,激發起了小小少年對浩瀚宇宙的無限遐想。一個探索星空的遙遠理想悄悄在他的心底發芽。

「我高考的時候,全國開設天文專業的還只有四所大學——北京大學、北京師範大學、南京大學、中國科學技術大學。」由於發揮不太理想,加上當年這些院校的天文專業在河北省招生名額很少,崔辰州在高考中與「天文夢」失之交臂,來到了如今河北工業大學的前身——河北工學院。

這所當時河北省唯一的「211」大學坐落在天津。大學四年,崔辰州專業課的成績從來沒有「掉」出過前三名,機械工程裡的「車銑鉋磨鑄鍛焊」樣樣拿得起來。即便如此,看上去應該「很好就業」的他從來沒有想過畢業就去找工作,他還有個「天文夢」沒實現。

大學四年,除了為考取國家天文臺的研究生持之以恆地努力外,崔辰州還作為「元老」創建了學校的天文社。「那也是中國工科高校裡的第一個天文社團」,24年過去了,如今說起這段往事,已是成熟學者的崔辰州還會流露出令人意外的「學生氣」和得意神色。

1995年7月23日,美國的艾倫·海爾和湯瑪斯·波普分別獨立發現了一顆彗星——海爾-波普彗星。通常彗星在木星軌道外會比較不顯眼,但海爾-波普彗星卻是個例外。它過近日點時亮度為-1.4等,縱使在城市中都可以用肉眼看見,是近二十多年來最壯觀的彗星之一。

海爾-波普彗星將在1997年4月1日過近日點,這個消息讓天文愛好者們為之振奮。當時正在全力準備研究生複試的崔辰州也激動不已,在他的組織下,全校的天文同好們決定一起去郊區觀看這顆彗星。這也是促成「天文社」成立的一次重要集體活動。

北方的3月寒意尚隆,年輕的天文愛好者們穿上厚厚的棉衣,頂著刺骨的北風,騎自行車來到天津郊外,等候著暮色四合。早春的夜色中,彗星拖著長長的藍色彗尾,橫跨半個天空。那個畫面定格在崔辰州的腦海裡,成了他最難忘的回憶。

「寄蜉蝣於天地,渺滄海之一粟。哀吾生之須臾,羨長江之無窮。」

崔辰州慨嘆,20多年過去了,再也沒有更壯觀的彗星,路過這顆銀河系角落裡的小小星球。那顆「如期而至」又很快消失蹤影的彗星,給他留下的心靈震撼至今難忘。天文學正是一個以蜉蝣試探天地、以須臾試探無窮的領域。而正是渺小而清醒的「試探者」,讓人類勇敢地邁出了伸向遠方的腳步。

1997年夏天,崔辰州如願考入了中國科學院北京天文臺(國家天文臺前身),正式開啟了他的「天文學之旅」。至今,崔辰州還經常會回到母校,去看一看已「20多歲」的天文社,和那些如他當年一般心懷「天文夢」的年輕人聊一聊。

在他的帶動和幫助下,社團裡多位有志於此的「後輩」也成功考上了天文臺的研究生,有些已成為國內天文學研究和科普教育的青年骨幹。

世界口徑的「望遠鏡」

1997年,崔辰州進入國家天文臺,繼續學業。這一年,還發生了一件崔辰州和此後他為之努力了20年的虛擬天文臺都「繞不開」的事兒,我國最大的光學天文觀測裝置——郭守敬望遠鏡立項了。

虛擬天文臺的概念從何談起呢?崔辰州娓娓道來,上世紀九十年代,美國啟動了斯隆數字巡天項目,使用望遠鏡和CCD陣列相機進行圖像和光譜巡天,計劃獲取超過一百萬個天體的多色測光和光譜數據資料。此後,隨著技術的創新發展,天文觀測逐漸進入多波段時代,從射電到紅外、光學和紫外,從X射線到伽馬射線,綜合利用多個波段的觀測數據,就能得到有關天體的更全面的理解。

「如此巨大的數據產出,天文學家第一次覺得數據多得用不了,天文學史上第一次出現了數據富庶的時代。」如果可以整合和分析這些數據,讓世界各地的天文學家都能訪問和使用,那將對科學的發展起到非常積極的推動作用。

當此之時,圖靈獎獲得者、美國資料庫專家詹姆斯·格雷提出「網際網路是世界口徑的『望遠鏡』」,虛擬天文臺的概念在天文學家和網際網路專家的「會心」合力之下呼之欲出。

「我是2003年畢業的,我的博士論文就是虛擬天文臺研究。」當時,「大數據」這個詞還鮮有提及,「虛擬天文臺」更是一個令很多人聞所未聞的超前理念,而崔辰州在導師的指引下敏銳地將研究的目光聚焦在它身上。2001年,在一個極專業和小眾的領域內研討會的推動下,中國虛擬天文臺計劃誕生了。

在虛擬天文臺起步的頭10年,進展十分緩慢,或者說是「不可見」的,最核心的一個原因在於當時國內望遠鏡可提供的數據不多且不成套。「那時我們的天文觀測多為定點觀測,提供的數據零零散散,大多是觀測者自己使用」。沒有內容的共享,意味著不被需要,甚至遭到質疑。崔辰州說,那時,虛擬天文臺的建設可以用一句話來形容,「巧婦難為無米之炊」。

那些年,崔辰州在有些人眼中多少有點「不務正業」。那時,他的本職工作是國家天文臺的「網管員」,而在本職工作之餘,他廢寢忘食、早出晚歸地研究國外經驗,想方設法完善中國虛擬天文臺的功能。

「說白了,這是一個給領域未來發展描畫藍圖的事兒。不是近在眼前,大家覺得『虛』也可以理解。」崔辰州現在談到那段歷程,口氣平淡,舉重若輕。但近十年時間全身心投入一件前程未明且不被認可的事業,其中壓力可想而知。

幸而他的導師,當時郭守敬望遠鏡建設項目的總經理、國家天文臺趙永恆研究員自始至終都看好並支持著他的選擇。伴隨著郭守敬望遠鏡項目的不斷進展,中國虛擬天文臺的建設也出現了轉機。

2008年,郭守敬望遠鏡建成;2009年,項目通過國家驗收;2010年,望遠鏡開始有批量的數據產生。至此,中國虛擬天文臺才真正有了自己的數據,並開始向國內、國際的同行們開放、共享和發布。20年後的今天,「大數據」早已無處不在,「虛擬天文臺」的數字宇宙對於天文領域的專業研究者和眾多愛好者而言也早已不可或缺。

崔辰州介紹,虛擬天文臺將全球範圍內的天文研究資源無縫透明連結在一起,讓科學家和普通公眾能夠基於數據發現、高效數據訪問和互操作,以各種創新的方式對數據進行檢索、展現和分析。

如今,它已擁有全世界最大規模的天體光譜庫,國內外600多篇高水平科研論文及一系列重要科研成果基於這些數據而誕生。比如,不久前,就有國際天文學家團隊基於郭守敬望遠鏡數據揭示出銀盤(銀河系主要組成部分)「屋脊」結構的奧秘。

去年,崔辰州當選了國際虛擬天文臺聯盟主席,整個機構囊括20多個國家和國際組織成員。聯盟年會上,崔辰州的「故知」、法國斯特拉斯堡天文數據中心主任馬克·艾倫望著當選主席的他,幽默地說,「崔,你也老了。」

是啊,2002年聯盟成立時,崔辰州還是個抱著學習態度積極「跟跑」的學生。18年過去了,他力排眾議一步步發展起了中國的虛擬天文臺,成長為世界級的成熟專家。

「多情應笑我,早生華髮。」談到這件小事,崔辰州笑意中帶著一絲滿足。

分享同一片「星空」

「惟江上之清風,與山間之明月,耳得之而為聲,目遇之而成色,取之無禁,用之不竭,是造物者之無盡藏也,而吾與子之所共適。」崔辰州引用蘇軾《赤壁賦》的名句,來表達自己的「宇宙觀」。

萬古一片月。

不論是真實的宇宙,還是虛擬的宇宙,又豈能是天文學家所能「獨享」的?如何將同一片「星空」分享給普通的公眾、愛好者,這是從虛擬天文臺構想之初,崔辰州就在苦苦探求的問題。

虛擬天文臺特別設置了「公眾頻道」,為的就是讓普通公眾也能領略星空的無窮魅力。打開這個頻道,「日食計算器」集合了上下三千年的日食信息,可以便捷地查詢某一地點日食發生的時間;「恆星檢索展示平臺」可在線進行恆星數據檢索,「邀您隨時隨地瀏覽璀璨星空」;「家鄉的星星」特色欄目向公眾徵集正在慢慢消失的中華「民間星座」的名字和故事;「宇宙驛站」為天文愛好者們打造一個屬於同好們的網絡家園;萬維望遠鏡互動式天象廳和天文教室則更是把虛擬天文臺的數字宇宙直接送到學生的課堂上……

這其中,最讓崔辰州引以為傲的是已經擁有30多次科學發現的全民科學項目——公眾超新星搜尋。

超新星是某些恆星在演化接近末期時經歷的一種劇烈爆炸。這種爆炸極其明亮,過程中所突發的電磁輻射經常能夠照亮其所在的整個星系,並可能持續幾周至幾個月才逐漸衰減,在夜空中看上去就像一顆新出現的亮星。

在新疆烏魯木齊,有一位資深的業餘天文愛好者——烏魯木齊一中的物理老師高興。他在烏魯木齊市郊的南山搭建了一個業餘天文臺,對著天上拍照片,搜尋超新星。「以前很暗的地方,如果突然變亮了,那就有可能是一顆超新星爆發。」

每一天,高興老師都會把拍攝到的圖像傳到自己的平臺上,讓圈子裡的同好們一起對照尋找。照片越拍越多,數據越積越大,愛好者們對照不過來,又擔心數據存不下丟掉可惜。這時,高興老師想起了正在搭建虛擬天文臺的崔辰州。

「我可不僅僅是個天文學家,我更是個天文愛好者。」同為「天文愛好者」的倆人是多年的「老相識」,聽了高興老師的訴求,發動全國愛好者搜尋超新星的想法在崔辰州的腦子裡一閃而過。

「我的團隊幫他把每天傳過來的數據管起來,共享給全國愛好者一起『看圖找星』,並幫助愛好者聯繫專業科學家確認發現,進行後續研究!」倆人一拍即合,國內第一個「全民天文科學項目」就這麼誕生了。

這個項目,幫助許多愛好者在茫茫宇宙中有了自己獨一無二的「相遇」。比如,2015年,一位來自合肥的10歲小學生通過篩選虛擬天文臺的海量數據,對比了超過1萬張圖片,發現了一顆超新星,成為國內年齡最小的超新星發現者。

「這是一個比較辛苦和枯燥的過程,最讓我感動的就是愛好者們的熱忱,時時刻刻都有人盯著新來的數據在線搜尋。」崔辰州回憶,2016年2月7日,除夕當天,在絕大多數人都在歡度春節的時候,愛好者們上報發現了一處疑似爆發。2月10日,位於西班牙的英國利物浦約翰摩爾斯大學的2米遠程望遠鏡對其進行了光譜驗證。這是超新星搜尋項目啟動以來第一次河外新星的發現。

作為專業科研力量的補充,這個全民科學項目目前已累計發現超新星及河外新星候選體31顆,其中17顆超新星及6顆河外新星獲得光譜證認。「超新星的爆發是恆星『死亡』的過程,它可能是一個『終點』,也可能會形成一個微小的恆星級的黑洞。」崔辰州解釋,超新星的發現和研究對於探索恆星結構和演化具有重要意義。

而對於普通愛好者來說,發現一顆超新星,是作為渺小人類個體對無限宇宙的一次成功求索,無疑會留下畢生難忘的記憶。

「直到去年,科技部和財政部共同發文,組建了首批國家科學數據中心。我們的虛擬天文臺正在其列,現在它的官方名稱叫做國家天文科學數據中心。」崔辰州慨嘆,「不務正業」了20年,虛擬天文臺終於得到了「官方認證」,並有幸成為我國天文學領域第一個國家科技創新基地;天文信息學也作為現代天文學一個重要的新興分支學科被越來越多的科學家和科研機構所接受。

這是一個裡程碑。此後,則是又一段路程的開始。目的地,是那渺遠的星天外。

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