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專訪 陳學雷：天籟計劃首席科學家

2017年10月13日，北京，中國科學院國家天文台。蝌蚪五線譜網站獨家專訪了“天籟計劃”首席科學家、國家天文台研究員陳學雷。

為什麼選擇天文道路？

陳學雷是北京人，高中畢業時因為“對物理很感興趣，所以決定學物理”。他在複旦大學物理係讀了本科，“當時很想離開北京一段時間，所以去了上海”。

大學畢業以後，他回到北京大學物理係讀了碩士研究生，隨後出國到哥倫比亞大學攻讀博士學位。“博士階段一開始是想跟導師做超對稱暗物質進而轉入宇宙學研究，後來慢慢做得越來越偏天文學”。

陳學雷1999年哥倫比亞大學物理係博士畢業，先後在俄亥俄州立大學物理係、加州大學聖芭芭拉分校理論物理研究所工作，2004年底回國入選中科院百人計劃，獲得國家傑出青年科學基金，現為國家天文台宇宙暗物質與暗能量研究團組首席科學家。

陳學雷做了天文以後發現天文學有一個很大的優點，因為在天文領域可以既做理論又做實驗觀測。天文學裏麵的分工還沒有像高能物理等領域分得那麼細——在那些領域，理論與實驗是截然不同的，一個人要麼做理論要麼做實驗，很難兩者兼顧。正因為在天文領域既可以做理論也可以做實驗，這也是陳學雷後來覺得天文很有意思的一個地方。

陳學雷在國家天文台（張軒中/攝）

提出“天籟計劃”

陳學雷後來提出了一個天文觀測的實驗計劃，這個計劃得到了國家863項目的支持，陳學雷擔任這個項目的負責人。這個項目被取名叫“天籟計劃”。

陳學雷告訴蝌蚪五線譜，天籟計劃的“籟”字泛指“聲音”，“天籟”就是“宇宙的聲音”。

天籟計劃建在新疆東部的哈密地區巴裏坤縣大紅柳峽鄉。這個觀測站的名字叫國家天文台紅柳峽觀測站。

天籟計劃項目在2012年啟動，在2015年年底建成，在最近2年時間內進行了調試，在2016年年底通過了課題的驗收，在2017年10月通過了863項目驗收。

“天籟計劃”的科學目標

天籟計劃的科學目標是觀測宇宙的大尺度結構。宇宙的大尺度結構指的是物質在宇宙空間中的分布。簡單的說，這就是要觀測星係在空間的分布。

陳學雷告訴蝌蚪五線譜，在宇宙空間上的物質分布看起來好像是隨機的，但是如果把空間尺度分解成不同的波長來看，則這裏麵是有一些特征的——這種按照波長來分解物質的密度分布被稱為傅裏葉分解。功率譜就是這些不同波長的波的強度分布。這就好像世上所有的音樂，都可以通過電子手段把不同的頻率的中高低音合成出來一樣，也類似於三棱鏡對太陽光的分解——分解成七色彩虹。

陳學雷說：“把空間分解成不同的波長，這裏說的波長其實是一種長度，也是空間的一些特征尺度，比如說1萬光年、10萬光年、1000萬光年……按照這些有規律特征距離來研究物質的分布。“

如何巡天？

陳學雷說：”天籟計劃好像是造一個傾聽宇宙聲音的收音機。這個收音機其實也是一個射電望遠鏡，隨著地球的自轉，我們的望遠鏡就可以把天空掃一遍，這就是巡天。我們基本上可以測到北半球天空上的射電信號。“

天籟計劃一共有兩套天線，其中一套是柱形天線，這套天線在南北方向長，在東西方向則短一些——像一個拋物線的形狀。另外一套天線是碟形天線，就是我們比較常見的鍋的樣子。

天籟柱形天線（右）和碟形天線（左）

目前，天籟計劃取得的觀測數據正在分析之中。因為這個數據量很大，陳學雷與項目組正在研究”如何用有限的資源把這個數據分析出來，這看上去是一個很大的挑戰！也許要靠雲計算這樣的新的科學方式來解決這個問題。“

與FAST的區別

最近，位於貴州的500米口徑射電望遠鏡FAST發現了一組新的脈衝星，這引起了國內外的很多關注。

陳學雷告訴蝌蚪五線譜，在建設FAST之前，當時國際上討論建設更大的射電望遠鏡到底應該怎麼實現。大家有兩種思路，一種是做小射電望遠鏡組成的陣列——就好像很多士兵組成一支軍隊一樣，國際上提出了要做總麵積是1平方公裏的陣列（SKA），另一個思路是由比較少數比較大的望遠鏡組成陣列，經過一番討論，最後SKA是用幾千個小的射電望遠鏡來組成一個陣列（第一階段計劃分別在澳大利亞和南非建造由幾百個單元組成的低頻和中頻射電望遠鏡）。中國則建成一個大口徑的單天線射電望遠鏡，這就是FAST的來曆。FAST是一個綜合性的望遠鏡，它可以做很多方麵的研究，比如脈衝星的研究，也可以做中性氫的研究。

陳學累說：“實際上我提出天籟計劃的想法也起源於當時剛開始討論FAST科學目標的時候，當時南仁東先生邀請我幫忙想一下FAST宇宙學方麵的科學目標，於是我想到了用FAST來做宇宙學的重子聲波振蕩。但當時一想呢，就發現遇到一個問題。FAST的望遠鏡是單天線的，它比較大，它看近處的星係的時候是一個一個分開的，但它看遠處的星係的時候是混在一起的，在想這個問題的時候我意識到，我們不用擔心看遠處星係的時候混在一起（因為射電的波長很長，它的空間分辨率比較低），混在一起並不要緊，因為你感興趣的不是單個星係，你感興趣的是一個區域裏麵總共有多少個星係——因為我們要測宇宙的密度。後來我就在學術會議上報告了我的這個基本思想——用射電的方法去觀測宇宙，這種方法叫做強度映射方法。這種方法所需要的射電望遠鏡可大可小，FAST也可以做這個事情，但FAST的口徑太大，它的視場比較小。FAST好像一個長焦鏡頭，能看到的天空的麵積反而小了。所以用FAST去巡天就比較費時間，如果想要盡快把全天空看一遍，則應該用口徑小一些的射電望遠鏡。所以國際上當時有一批人就提議做這個事情，本來我是做理論工作，後來因為沒在國內找到做這方麵實驗的人，於是我就衝到了前台，去申請這個項目(天籟計劃)，做起了實驗。”

因此，與FAST相比，天籟計劃的望遠鏡看到的天空麵積比較大。

以後可以測暗能量

天籟計劃現在還沒有測暗能量，因為暗能量引起的效果是宇宙的加速膨脹。對於天籟計劃來說，這其實是要測量銀河係外很遠處的21厘米譜線（這些譜線是宇宙中的中性氫發出來的，而中性氫占了宇宙中正常物質的絕大部分，所以具有代表性）。但實際上全球包括天籟計劃在內的射電望遠鏡都還沒有測到遙遠的宇宙距離尺度的21cm射電信號。為什麼會這樣？這是因為銀河係本身的亮度太高。這就好像白天要看星星，因為太陽光太亮，所以看不見星星（雖然我們眼睛的靈敏度是夠的）。

陳學雷告訴蝌蚪五線譜，目前天籟計劃的射電望遠鏡其實是一個口徑40米的陣，第一步是爭取探測到宇宙距離的中性氫。而暗能量的探測需要口徑100米的射電望遠鏡陣列。所以，探測暗能量是取得第一步成功後下一步的事情。最近幾年，天籟計劃的望遠鏡也可以看到快速射電暴，因為快速射電暴是隨機發生的，需要很大的巡天麵積，這個是天籟計劃望遠鏡具備的技術優勢。

訪談到了尾聲，陳學雷說，做研究“板凳要坐10年冷”，大家都在說要勇於探索不怕失敗，但是這往往隻是一個口號，尤其是大家都不敢正視科學研究中的失敗。在實際上，科學探索的實驗總有失敗風險，這是我們需要正麵麵對的問題。我們中國的科學的文化有點太偏於追求成功，而不敢做有風險的科學探索，這是亟待改變的現象。因此，中國需要有一些科學上的探索項目，而且也應該允許失敗，隻要能從中學到東西、做出改進，失敗也並不是沒有價值的。雖然現在人們還沒有探測到宇宙深處的21厘米譜線，但隻要堅持下去，總有一天我們會探測到21cm譜線，更清楚地了解暗能量的本質，解開暗能量之謎。

本篇采寫 蝌蚪五線譜 張軒中

最後更新：2017-10-23 12:38:55

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