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林潮:抓住系外行星研究的 “黄金时代”

人类在寻找宜居星球过程中面临哪些挑战?| 图源:pixabay.com

导  读

2021年11月,美国国家科学院、工程院和医学院联合发布《面向2022-2032的天文和天体物理十年规划》,寻找太阳系以外的宜居星球成为天文界未来十年的首要任务。《国家科学评论》(National Science Review)邀请加州大学圣克鲁斯分校天体物理学教授林潮(Douglas N.C. Lin)回顾系外行星研究三十年来的飞速发展,展望人类在寻找宜居星球过程中面临的挑战。作为北京大学科维理天文与天体物理研究所的创始所长,林教授鼓励中国的年轻科学家抓住系外行星研究的 “黄金时代”,并就中国天文界如何加强内部和外部合作、从合作中受益发表了自己的看法。

 

撰文、翻译 | 辛玲

审校 | 王一苇

图1 2018年林潮在清华大学的校园咖啡店 | 图源:林潮 

《国家科学评论》:最新的美国天文界 “十年规划” 将系外行星研究列为重中之重。为什么选择这个时间点?

 

林潮:经过三十年的迅速成长,系外行星探测正处于蓬勃发展阶段。首先,技术的发展为我们提供了重大机遇。地面望远镜首次探测到系外行星后,我们开始建设相应的空间探测器,包括开普勒太空望远镜(Kepler Space Telescope)和凌日系外行星测量卫星(Transiting Exoplanet Survey Satellite,TESS)。这些设备发射后需要几年调试才能全面运转。二是系外行星研究的队伍已经建立起来了。这个课题在三十年前还是冷门,大家不知道这个方向会不会有前途。现在这支队伍已经壮大。第三,我们对下一步要做哪些事已经深思熟虑,主要科学问题已经非常明确,如生命起源和地外生命搜寻等。把地面望远镜和空间望远镜的观测结合起来,我们很有希望通过跨学科研究来初步回答这些问题。

 

《国家科学评论》:人类最初形成 “其他星球” 的概念时,是否受到 “我们在宇宙中是孤独的吗” 这个问题的驱使?

 

林潮:这个问题里的 “我们” 可以指太阳系,也可以指生命。其实早在两千多年前人类就有了多个行星系统共同存在的思想,先驱包括中国诗人屈原和希腊哲学家伊壁鸠鲁。到了二百多年前,法国数学家拉普拉斯第一次建立了行星形成的定量模型。拉普拉斯提出,我们太阳系的行星是由围绕太阳运行的圆盘状物质聚合而成的。当然理论家们后来也提出了一些不同的行星形成和演化理论。

 

到了上世纪70年代,人类终于有能力发送航天器去对太阳系的其他行星进行成像。我们看到这些行星的结构与地球大不相同。90年代初又发射了红外波段的航天器,去探测年轻恒星周围的原行星盘。到了这时我们终于可以检验拉普拉斯的设想是否正确了。可是对系外行星的搜寻非常艰难,科学家们经历了多次失败和空欢喜,有好几次都快放弃了。记得1994年我到夏威夷去参加一个关于行星系统形成、演化和探测的会议。几个一直在按部就班寻找类木行星的研究者共同得出了一个令人失望的结论,即这种行星可能非常罕见,也很难找到。

 

《国家科学评论》:您是怎样进入这个领域的?
 

林潮:纯属巧合。七十年代中期我在英国剑桥大学读博士。当时发现了一些双星能发射强烈的X射线,大家推测是一个中子星或黑洞在从它的恒星伴星吸取气体。我就用吸积盘模型来研究这些双星,用计算机模拟两者之间的质量转移。 

图2 1974年剑桥大学天文系大合影 | 图源:林潮
 

有一次凌晨4点在学校机房工作时,我向程序输错了一个关键参数。本打算在伴星质量处输入相当于太阳质量几分之一的值,实际上却输入了相当于木星质量的值(译者注:木星质量约为太阳质量的千分之一)。第二天我去拿模拟结果的时候吃了一惊,呈现在我眼前的是一个美丽的螺旋图案,这是我完全没有预料到的。

 

我和同事进行了后续分析,认为那个螺旋图案实际表明木星和行星盘之间存在着强烈的潮汐作用。这种作用可能导致木星轨道的变化。所以在1994年的会上,我说“类似木星的行星其实并不少,只是他们形成后,可能其中一部分——或者大多数——跑了宿主恒星里面。” 大家都觉得这个想法很疯狂。

 

《国家科学评论》:但那次会议之后不久就发现了 “飞马座51b”。这是人类发现的第一颗围绕类似太阳的恒星运转的系外行星。飞马座51b最让你惊讶的是哪一点?


 

林潮:具有讽刺意味的是,大约就在夏威夷会议的同时,两位瑞士天文学家在法国上普罗旺斯天文台发现了飞马座51b。这一发现很快得到加州天文学家们的证实。几乎所有人(包括发现者)都大吃一惊,因为木星绕太阳转一圈大概要12年,而这颗行星绕着它的主恒星转一圈只要4天。这种差异意味着飞马座51b和它主星的距离大概只有木星和太阳距离的百分之一。在如此近的范围内很难按照常规模型去形成一颗行星。

 

我和同事早就预测到婴儿期的行星会从它们出生的行星盘中迁移出来,但我没想到它们到了恒星附近会停下来。听说了飞马座51b的情况后,我立即着手研究行星在宿主恒星附近如何实现定位和停留。短短几个小时内,我就提出了一个创新的想法:当行星进入行星盘的中央空腔时,由于受到宿主恒星产生的强磁场的影响,它们的迁移可能停止。我还提出,当恒星和行星非常接近时,他们之间的潮汐力也可能阻止行星继续迁移。后来还有一些别的理论来解释为什么行星会停在恒星附近,但我的解释被广泛认为是最可能的原因,尤其是对多行星系统而言。

图3 计算机模拟的一个类似木星的气态巨行星在原恒星盘中逐渐形成。随后ALMA 望远镜的观测结果证实了该理论预测 | 图源:林潮, Geoff Bryden
 

《国家科学评论》:最早的一批系外行星发现后,给我们的思维范式带来哪些变化?
 

林潮:首先,我们认识到行星存在的普遍性和多样性。现在我们了解到,几乎每颗恒星周围都存在行星,行星的形态多种多样,不拘一格。
 

第二是行星在从婴儿期到其宿主恒星消亡的整个生命周期中具有惊人的流动性。系外行星在多种作用力的影响下实现长距离迁移,这有助于我们进一步研究动态平衡和演变问题。行星的流动性和多样性对生命起源和生物进化也有很多潜在影响,行星本身物理状态的转变可能是基因突变和自然选择的驱动力之一。尽管地球表面条件的变化曾经导致生物大爆发、大灭绝等的事件发生,但跟那些行星漂来漂去、并常有强烈碰撞的系统相比,我们的环境变化是很小的。在一个系统里,生命出现、繁荣、消亡和幸存的概率是多少?我们还没有答案,但对系外行星运动学和结构的认识将帮助我们打开思路,寻找可能的答案。

 

《国家科学评论》:到目前为止,大约一共发现了4500颗系外行星。探测系外行星的方法主要有哪些?

 

林潮:方法有很多。最直接的是成像法(imaging)。由于行星相对于太阳和背景恒星是运动的,所以古希腊和古代中国的天文学家们在正确的时间和地点仰望天空,就发现了太阳系的其它行星。但白天太阳光太亮,很难看到火星、木星和土星。从地球的角度来看,系外行星非常靠近它们的主星,主星通常比绕转的行星要亮数十亿倍。成像法最大的难点是要有效地阻挡恒星的光。

 

第二个方法叫视向速度巡天(radio velocity survey)。由于行星和恒星之间存在万有引力作用,它们会相互干扰。如果在恒星光谱中观测到微弱的周期性变化,这些信号很可能是由行星绕转引起的。飞马座51b就是这种方法发现的。后来,包括中国在内的许多国家的天文学家又用这种方法发现了几百个系外行星。

 

第三种叫凌日法(transit method)。凌日类似于日食,当一颗行星从地球和它的主星之间经过时,它会挡住主星发出的一小部分光芒。精确测量恒星亮度的细微变化在技术上要求极高,但这个凌日法却是目前识别系外行星最有效的方法,已经找到了几千颗。这里主要涉及的望远镜就是前面所讲的美国NASA的开普勒和TESS。凌日法还有个好处,就是可以汇总候选行星,在凌日再次发生时对它们大气的物理和化学成分进行进一步研究。这就好比摇滚明星在舞台上表演,他们身后的聚光灯发出强烈的光,使得我们可以在影子里看清他们飞舞的发丝。
 

图4 一颗小行星在它的宿主恒星前经过,遮挡了恒星发出的部分光芒,这种观测方法使得天文学家能够在小行星的大气中寻找生命的痕迹 | 图源:欧空局

 

除了上面几种方法,还可以通过测量主星位置变化、微引力透镜现象、或主星发出的无线电信号来探测行星。利用微引力透镜现象已经发现了几十颗系外行星,这个方法还具有探测与地球具有相似质量和轨道的行星的潜力。

 

我觉得行星探测的美妙之处在于可以用多种互补的技术来描述一颗行星的各个方面。没有某种技术是完全优于其他技术的。我们可以用大型的凯克望远镜(编者注:位于夏威夷的两台口径10米的光学/近红外望远镜)来进行复杂测量,也可以用很小口径的望远镜来观测。实际上,凌日法观测到的第一颗系外行星就是用一架4 英寸(10.16厘米)的望远镜在科罗拉多州丹佛市的一个停车场发现的。当我听说这个故事的时候,我想,“这事的潜力太大了!” 后来的发展也确实如此。


 

《国家科学评论》:关于地外生命的搜寻,我们目前进展到哪一步了?
 

林潮:过去的五十年里我们对行星物理特性的认识提高了不少,但在生命起源方面的认知仍然相当初级,大都带有猜测性,因为没有任何实验数据可以明确地告诉我们对或者不对。

 

我每次做公众演讲时都喜欢问两个问题。第一个问题是:“谁相信地球以外有生命?” 90%的观众都会举手。第二个问题是:“谁知道我们是否有确凿证据,证明地外生命确实存在?” 这次几乎没人举手。所以大家都有观点,但没有事实。

 

这就是为什么我们需要继续寻找线索,并对可能的情形做出限制。我们的探测和表征能力仍相当有限,理论结构仍相当初级。但只要坚持不懈,我们一定能提高对地外生命的感知力和理解力。

 

《国家科学评论》:寻找地外生命时,主要通过识别哪些 “生物标记”?
 

林潮:系外行星上其实不乏已知生物体的常见元素,如碳、氢、氮、氧。甚至不乏符合基本定义的宜居行星。然而,相对容易探测到的生命迹象很少,只能先去找一些间接的 “标记”。如果你去青藏高原上寻找雪豹,那么比较简单的办法是在广阔崎岖的高原上寻找雪豹的脚印。地球上最容易识别的生命痕迹是大气中的分子氧。分子氧不是微生物存在的必要成分,而是微生物代谢产生的副产品。在太古宙时期,地球上的生物过程极大地丰富了大气中分子氧的含量。假设现在扼杀地球上的一切生命,那么大气中的分子氧含量将迅速下降,因为氧是一种很活泼的元素,会很快与土壤中的元素反应而消耗掉。火星的表面是红褐色的,正是因为火星大气中的氧和火星土壤中的铁元素发生了反应。

 

天文学家选择把分子氧作为生物标记是因为它相对容易探测。氧是宇宙中第三丰富的元素,尽管它在绝大多数恒星和行星的大气中往往并不以自由分子的形式存在。以我们现在的技术能力,不难从红外波段探测到痕量的氧分子。如果氧以臭氧形式存在,那么更容易,从可见光波段就能探测到。很多天文学家都相信如果我们在某颗行星的大气中检测到高浓度的分子氧,那么行星表面就可能存在碳基生命。

 

不久前科学家们在金星大气中发现了极少量的磷化氢。磷化氢主要由地球生物体产生,一直被认为是生物标记,因此论文作者们认为这可能是金星高温大气层中存在生命的迹象。硫化氢光谱是否受到了金星大气中的二氧化硫的影响?这篇论文受到了一波健康的质疑,甚至有科学家根据自己的观察和分析,完全驳斥了那些微弱的信号。这种争论在科学界是很正常的。正如天体生物学开拓者卡尔·萨根说的:“非凡的主张需要非凡的证据(Extraordinary claims require extraordinary evidence)。”

 

《国家科学评论》:如果我们在行星上探测到了分子氧,那又意味着什么?

 

林潮:那也只是第一步。氧可以有其他来源,如光解水分子。要把与生物活动相关的氧和其他来源的氧区分开来。这里面的情况非常复杂,因为涉及到生物、化学、物理、地质和大气过程的跨学科解释,究竟哪些过程在哪些情况下占了上风等等。

 

除了分子氧,我们还要探测其他的生物标记。即使拥有最强大的地面和空间望远镜,最先进的仪器和软件,要逐一观察少量精心挑选的宜居行星上的生物标记也是需要时间的。也许十年以后,我们能掌握足够的数据来得出这样一个初步结论:在我们检查过的所有行星中,有10%,1%或0.1%都发现了潜在的生物标记。有了这个结论,我们就可以把这些生物标记与行星位置、宿主恒星年龄和组成的关系,与宜居带行星的情况进行对比。这样既探测了生物标记,又获得了其严格的上限值,对于我们理解宇宙其它地方的生命特征会产生深远的影响。

 

《国家科学评论》:如果外星生命形式与地球生命完全不同,不需要水、或者不是碳基的,那又该如何去寻找?

 

林潮:在我们开始盲目地寻找其他生命形式之前,需要对生命的定义达成共识。一种常用的定义是:“生命是能够自我组装和自我复制的生物”。按照这个定义,我们很快将迎来硅基生命的智能机器人,这些硅基机器人跟碳基生命的生物标记完全不同。想要远程探测硅基生命不仅面临技术挑战,它们能否被真正视为生命还有争议。

 

美国前国防部长唐纳德·拉姆斯菲尔德曾将 “已知的未知”(known unknowns )和 “未知的未知” (unknown unknowns)区别开来。这个问题就属于“未知的未知”。我想我们应该从已知的未知开始,一步步寻找地外生命。从地球生命形式出发去找总是容易些,毕竟知道要找什么。我承认这种方法是以地球为中心的,目标比较狭隘。但如果没有任何基于先验知识的搜索标准,那我们恐怕连要问哪些问题都不知道。

 

《国家科学评论》:如果真的发现了外星生命,我们怎么办?

 

林潮:我倾向于先按兵不动,然后仔细观察这些外星生命,深入了解它们的特征、行为、优势和弱点。要搭载着具有生命支撑系统的飞行器从他们的母星飞到地球,一般来说技术难度很大。还是谨慎一点比较明智,尤其当我们还不知道这种生命形式是热情友好的、还是比较仇外敌对的。

 

总之,只要取得任何微生物在外星球上存在的证据,就足以丰富我们对贫瘠环境下生命如何形成的理解。这些知识还能打破学科边界,帮助人类用整体视角去认识自然。无论如何,我的建议是不要担心!我主张客观地去理解周围的世界,不要由于缺乏同理心或怀着先入为主的偏见而反应过度。

 

《国家科学评论》:寻找系外行星和地外生命,能否帮助我们更好地认识地球面临的问题?

 

林潮:看看今天的金星和火星,就可以预见全球气候变化的后果。我们知道在白垩纪时期地球的温度比现在要高得多,但历史上的气候变化都是在很长的时间尺度上发生的,比如几十万年到几百万年。现在最令人担心的事,是由于人类活动使得二氧化碳和其他温室气体在大气中以惊人的速度进行累积。模型预测,就在我们下一代,地球的气候模式和海岸线位置会有重大变化。我们亟需扭转这种趋势。

 

当前世界领导人的讨论主要集中在减少碳排放上,但开发碳捕获技术也是非常重要的。对其他行星大气环流和气候动力学的研究能给我们带来启发。例如金星的温室效应很强,以至于雨水在到达地面之前就已经蒸发了。我们一定不希望这种情况发生在地球上,因为它会切断碳从地球大气返回地表土壤和岩石的主要渠道。我们需要揭示全球范围内空气、海洋、海冰、地表、大气化学以及生物和工业活动之间复杂的相互作用,认识地壳岩石内部和深部长期的碳沉积-释放的循环过程。这些知识都会有助于我们制定整体、高效的应对方法,减缓气候变暖的脚步。
 

《国家科学评论》:您对于地外生命的寻找有哪些建议?

 

林潮:寻找地外生命的主要挑战之一是要找到确凿的、经得起任何怀疑和推敲的证据。除了已经讨论得很多了的宜居带问题和极端环境下的生命形式,其实还有很多重要问题等待我们去解答。比如,为什么微生物能在地球上迅速兴起,而火星已经没有了生命迹象?毕竟火星也曾经被液态水覆盖,并拥有类似地球大气的保护层。火星上到底是否曾经出现过微生物,这至今仍然是个谜。那么生命的基本信息是从哪里开始的?又是如何从行星表面上灭绝的?现在大家都不知道答案,甚至不知道怎么去构建一个可以检验的假设。

 

尽管如此,我们还是有充分理由对未来的研究感到乐观。就在四年前,我们探测到了第一个穿越太阳系的星际物体奥陌陌(Oumuamua)。如果这种穿越事件真像我们预期的那样丰富,那么即将发射的维拉鲁宾天文台(Vera Rubin Observatory)每年约能探测到数百个这样的星际物体,它们携带着来自其主恒星和相邻行星的宝贵信息。我们从太阳系小行星、彗星和行星的卫星上提取样本的技术也在逐步完善。依靠这些技术,我们就能追踪星际物体的历史轨迹,实施取样返回任务,获得的数据将大大增加我们对远方行星系统的基本认识,激发新思想,并对不同的理论假设做出进一步限制。

 

《国家科学评论》:中国科学家在探测系外行星方面做了哪些工作?

 

林潮:中国在数个领域都有成果。一是用凌日法在南极等地对系外行星候选体展开观测,包括近期回国的年轻科学家利用兴隆的郭守敬望远镜(LAMOST)对开普勒望远镜之前探测到的一些凌日行星的轨道离心率和主恒星参数进行了测量。他们的研究为所谓 “超级地球” 的大量出现提供了重要线索。同时,清华大学的师生和韩国科学家合作,用微引力透镜法进行系外行星的探测。他们揭示了大量类海王星行星的存在,这种行星用其它方法很难探测到。

 

此外,上海天文台正在带头开展一个名为 “地球2.0”(Earth 2.0 Transit Planet Survey)的凌日法探测行星项目。据我了解,中科院国家空间科学中心在酝酿用天体测量法探测行星的项目,贵州的天眼望远镜(FAST)也计划拨出时间来探测与系外行星相关的无线电信号。

 

值得一提的是,中国与美国、日本、加拿大和印度同属三十米望远镜(TMT)的创始成员国。TMT是正在建设中的下一代光学望远镜,灵敏度非常高,可以观测凌日行星的大气层特征。新发布的美国天文学 “十年规划” 已将其与巨型麦哲伦望远镜(GMT)一起推荐为美国国家基金委在地面天文学设施中的首要资助对象。TMT中国项目能否在两国目前的政治局势中幸存下来还有待观察,但我衷心希望这样的项目能够成为连接和合作的桥梁,造福于各国科学界。在理想世界中,基础科学没有国界和学科的界限。我希望所有努力都能带来积极的结果。

 

《国家科学评论》:中国在系外行星探测上有没有优势?

 

林潮:中国在用凌日法进行长期地基观测方面有独特的地理优势。这是因为需要从地球上不同经度和纬度持续观测目标恒星,而包括新疆和西藏在内的青藏高原地区的观测目前基本是一片空白。中国可以做很多事情来填补这个空缺。另外,天眼望远镜是世界上无线电波段探测灵敏度最高的设备之一,这也是中国的优势。

 

中国也有劣势。探测地外生命必须用红外设备,但中国的红外技术一直比较落后。一部分红外探测设备始终在美国政府对华禁运清单上。中国要么勉强利用现有的技术,要么迟早需要下决心来研制自己的红外技术,但这涉及资源和人才的投入,而且需要时间来完成。

 

中国的太空项目发展迅速,主要是月球、火星等太阳系内的探测。有团队正在考虑小行星和彗星取样返回的可能性。这些岩石样本是太阳系最古老的遗迹,将为研究太阳系的形成和早期演化提供重要线索。中国在建设空间站的同时也在开发类似哈勃的巡天望远镜,这种望远镜能够为研究系外行星的大气特征做出重要贡献。

 

《国家科学评论》:中国天文学界是否准备好迎接这一轮技术进步带来的机遇了?

 

林潮:中国的系外行星研究队伍一直在成长。最主要的问题是领域内真正的专家还不多。最近十五年我一直想推动国内系外行星研究的发展,我跟国家自然科学基金委等部门都交流过,但他们觉得这个领域还没有足够的研究力量。资助部门往往更愿意支持比较成熟的领域,这是很自然的事。不过正是由于研究系外行星的人还不多,才需要支持,这种提携新兴领域发展的重要性在多年后才会显现出来。欧美很多人都是二十多岁读博士或做博士后的时候就开始研究系外行星。今天他们已经成长为本领域的中坚力量,并推动领域不断前进。

 

想要奋起直追,什么时候都不嫌晚。一些在欧美深造的中国学生选择了系外行星研究,有的人已经带着观测和理论方面的专业知识回到中国。这些新生力量有望引领中国在系外行星领域的重大前沿项目。我也希望这些年轻人进一步完善中国的科研文化,为科研的各个方面带来新鲜空气,包括战略层面的发展规划和充满活力的国际合作。

 

《国家科学评论》:天文学涉及大科学装置,大科学装置需要多方合作。您认为中国天文界如何才能更好地合作?

 

林潮:这确实是个挑战。中国社会可能是全世界竞争最激烈的社会之一。小孩子出生不久就要接受评估和比较。从小学到大学,通过定期考试等手段来评估学生的成绩和能力。虽然定量和标准化的评估有助于确保公平、激发成就感和促进自豪感,但如果竞争的欲望太强,会在无形中阻碍人与人的合作。在学术界,科研人员的工作往往用发表论文的影响力来评判和奖励。最简单的方法是用作者身份、论文引用次数、基金数量和获奖数量等指标进行排名。不幸的是,一篇论文只能有一个第一作者和一个第一单位。这种排名可以为科研人员的晋升提供一种机械化的标准,但私下围绕第一作者、第一单位署名问题的尴尬协调并不利于团队间的长期合作。

 

在这里我想用瑞士做个例子。瑞士有四种官方语言,文化也相当多元化,但它在许多科技领域都是世界领先的,尤其是系外行星研究。怎么可能呢?我认为这里有值得中国天文界学习的地方。全世界科学家都会做的一件事是竞争科研资源。然而当一个大项目最终尘埃落定后,瑞士人能够做到让失败的一方加入胜利的一方,双方一起来推动项目的发展。然而在中国,我经常看到失败那方坐在一边,看着获胜方把项目做成——或做不成。整个领域的目标比某个机构的利益更重要。建立共识、促进合作比获得个人荣誉、树立个人权威更重要。

 

合作对于天文学的发展尤其关键,因为现代天文学强调多波段观测,只有天文学家通力合作才能及时交换信息,拼凑出关于某个天体或天文现象的全面图景。天文学的另一个特点是随着技术的飞速发展,其主要研究方向大约每十年就会发生重大转变。在天文界内部就短期、中期和长期的研究重点达成共识是很重要的。建立共识的过程需要透彻的讨论、批判性的评估、包容性的辩论和全球视野。美国天文学的 “十年规划” 就是这样产生的。十年规划的研究重点超越了任何一个机构或分支学科的研究兴趣,反映了整个天文界的合作精神。

 

中国天文界需要通过改革来建立一个灵敏有效的决策机制。虽然也常组织专家委员会来讨论未来发展,但容易出现某一级委员会的结论被另一级委员会(或其它想维护其机构或分支学科的既得利益团体)推翻的情况。通过来回操控,个别派系获得了暂时的胜利,但这种不顾规则的做法将对决策过程造成长远的负面影响。必须保护和尊重相关科学家,尤其是年轻科学家的意见。直接与国家领导人进行沟通、游说的做法可能有助于项目启动,但从长远来看会妨碍固有的行政秩序,给领导人增加不必要的负担,降低程序执行的透明度。

 

最后,将中国科学院在重大资源配置、国家设施运营和大科学项目规划推进等方面的职责分开可能会使科研工作更高效、包容性更高。不会有完美的解决方案,幸运的是中国对基础科学研究的投入在快速增长。随着政府支持的增加和年轻人才的涌入,我盼望看到中国在行星天体物理学等前沿领域做出引领性的重大发现。同时,中国天文界需要思考如何最大限度地提高政府投资的效果和科学回报。对于大科学装置而言,最终展现给世界的应该是丰硕的科学发现,而不是光鲜亮丽的装置本身。建造庞大而昂贵的大科学装置也并非实现全球重大影响的唯一途径。

《国家科学评论》:您是北京大学科维理天文与天体物理研究所的首任所长。您如何看待中国在吸引外籍人才来华工作方面做出的努力?

 

林潮:前沿科学受国界限制比较少,国际化的机会较多,特别是天文学,我们的研究对象是同一片天空。KIAA的初衷是要打造一个开放的、国际化的研究平台。我们遇到了一些挑战。在中国,经常会用严格的指标来评判一个机构的表现,机构必须不断证明其存在的合理性。但我觉得KIAA没有必要去争夺中国第一研究所的位置。相反,我希望把她打造成一个全世界科学家都可以来讨论想法的卓越中心,一个激发创新的孵化器,和一个帮助年轻学者寻找灵感、探索方向、成长为原创思想家的智力平台。这些崇高的目标难以实现,因为我总不能对领导说,“我正在致力于培养良好的学术环境,二十年后可能会出成果。” 我相信今天的KIAA正在朝着正确的方向前进,最终将成为世界一流的研究所。

图5 2008年林潮和北京大学本科生在KIAA主楼前合影 | 图源:林潮

 

《国家科学评论》:您认为我们需要在基础科学领域鼓励更多 “大胆的探索者” 来攻克难题吗?

 

林潮:非常需要。天文学的很多重大发现看起来都是偶然取得的:比如人们一开始想寻找跟我们太阳系相似的行星系统,但找到的第一颗系外行星跟太阳系行星完全不一样。这些偶然发现并非真的偶然,需要设备、资金的铺垫,还有人才和一点创造性思维。

 

我出生在苏联发射第一颗人造卫星的时期,六岁就对天文产生了兴趣。我希望今天的孩子和年轻人能从正在进行的太空探索中获得灵感和启发。系外行星领域有许多富有想象力、敢于大胆尝试的年轻人,他们的科学观很少受到先入为主的限制。在利用新技术新设备方面,这些年轻人非常灵活,富有创新性。很多人在设计复杂算法或从数据中挖掘信号方面有天赋,还有人还提出了原创性的技巧,无需巨额投资或制造昂贵的大设备就能解决问题。

 

《国家科学评论》:您对年轻科学家有哪些建议?

 

林潮:我一般会给处于科研事业初期的年轻人四点建议。

 

首先,追随你的内心,这很重要。只有这样你才能怀着热情、决心和永不满足的好奇心去迎接挑战,而不是仅仅获得一份稳定的工作或好的名声。追求知识本身是一种崇高的动机。

 

其次,在你寻找答案之前,不妨先想一想问题是什么。作为老师,我更喜欢激发和培养学生的原创思想。维生素C的发现者阿尔伯特·圣捷尔吉曾经说过:“发现就是看到了大家都看得到的东西,而想到了大家都想不到的东西。” 虽然你必须谦虚地向导师和同行学习,但只有保持开放的心态和独立思考的能力,才能开拓未知领域。

 

第三,找到一种或几种最适合自己的研究方法。有人数学有天赋,有人擅长做实验,有人善于挖掘数据,有人在仪器制造方面很有创造力。所有这些专业能力在科学研究中都是需要的。对我自己来说,我最喜欢揭示复杂天体物理现象之间的联系。但我不一定要尝试所有方法。我钦佩和尊重同事们的专业特长,并积极和我的同龄人和学生们开展合作。你要找到自己的天赋,对自己充满信心,同时去欣赏、学习和受益于他人的特长。

 

第四,科研是一种集体行为,因此我们有责任传播自己的研究成果。要让尽可能多的人理解你的研究,这样你的想法才会变得有影响力。可以训练自己做 “电梯演讲”,设想在电梯从一楼升到四楼的时间内把你研究课题的精髓介绍给外行。对于我来说,能把自己的科研热情分享给领域外的人,把自己研究的重要性解释清楚,激发他人的求知欲和灵感,我就觉得很满足。

图6 2019年在冰岛首都雷克雅未克参加第四届极端太阳系会议 | 图源:林潮

 

《国家科学评论》:最后一个问题:您最近在研究什么?接下去打算做什么?

 

林潮:过去五年我一直专注于引力波研究。最近探测到的引力波信号来自两个相互绕转的恒星级质量黑洞的并合。在它们并合的最后阶段,这些黑洞强烈地扭曲了周围的时空,产生的引力波传播到极远的距离。我最感兴趣的问题是:这些双黑洞是哪里来的?它们究竟是如何并合成更大的黑洞的?最初被广泛认可的理论模型认为这些双黑洞是双星系统演化的副产品,然而随着我们获得更多数据,这种模型在解释黑洞的质量范围和自旋率方面遇到了挑战。

 

在寻找其它解释的过程中,我把这些引力波事件与活动星系核联系起来。活动星系核包含了超大质量黑洞周围的吸积盘,根据我之前对行星形成和吸积盘的研究,我认为活动星系核中超大质量黑洞周围的气体吸积盘可以为恒星级质量黑洞的诞生、成长、配对以及最终并合提供一个理想的场所。我过去在行星形成领域的许多研究方法都可以直接用到双黑洞研究上。我和敢于探索的年轻人合作研究这些问题,并鼓励他们跳出框框进行原创性思考。在这个过程中,我们发现了以前被忽视的一些物理效应,而这些效应反过来又对行星形成的研究有启发。

 

图7 在讲座中提出引力波波源的理论假设 | 图源:林潮

 

在我研究天体物理的几十年里,飞速进步的技术给我们带来了爆炸式增长的多波段、多信使的观测数据,极大地拓展了我们的视野。从系外行星到天体生物学、黑洞、活动星系核和引力波,这些新线索开启了天体物理学令人兴奋的黄金时代。这些领域之间既互补又相互联系,跨越了巨大的空间和时间尺度,为潜在的重大发现提供了肥沃的土壤。我一生在许多国家生活、学习和工作过,在同行和社会的支持下得以参与这些振奋人心的研究,我倍感幸运和感激。我也羡慕今天的年轻人能有这么多机会去探索新的想法、追求重大进步,从而更全面、更准确地理解宇宙及其丰富的组成成分。

图8 在2019年未来科学大奖周上做主旨演讲 | 图源:未来大奖

 

版权声明 

本文英文原文于2022年1月17日在线发表于《国家科学评论》(National Science Review,NSR ),原标题为 “Exoplanets, extraterrestrial life and beyond: an interview with Douglas Lin ”。NSR 是科学出版社旗下期刊,与牛津大学出版社联合出版。《知识分子》获NSR 授权刊发该文中文版。

原文链接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwac008

 



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