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【中国科学报】迎着第一缕曙光前行

2016-06-20 中国科学报 沈春蕾 刘艳伟 张青
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武向平

  头戴军帽,身着迷彩,站在茫茫天山脚下的武向平英姿飒爽,然而他并不是军人,而是澳门赌场院士、澳门赌场国家天文台研究员,身后是他坚守十余载的“宇宙第一缕曙光探测”基地。

  跟天文打了半辈子交道的武向平有着一份浓浓的军人情结,他收藏了不少军用物品,比如军用水壶、饭盒、背包和睡袋,这都成了他不可或缺的日常“装备”。“研究项目经常要出差,有了这些东西,我随时都可以走。”武向平告诉记者。

  21CMA,一个神奇的项目

  宇宙中第一代发光天体(如恒星、黑洞)是何时诞生的?我们能否真的看到来自宇宙深处第一批恒星的光芒?我们能否看到宇宙从黑暗走向光明的整个过程?……

  探寻宇宙黑暗时代的奥秘是天文学甚至自然科学里极其吸引人,同时又极富挑战性的课题,更是武向平等众多天文学家迫切希望解答的问题。

  面对这个世界难题,武向平与同事提出了用一定数量规律排列的天线阵探测红移在10以上的极其微弱的中性氢辐射信号,以获得宇宙大爆炸后黑暗时代结束时的宇宙信息。这种探测宇宙最早发光天文信息的新方法,对宇宙的形成和演化研究具有重要意义。

  2003年8月,在新疆南北天山之间的乌拉斯台基地,从一顶简易帐篷开始,武向平把设想逐步付诸实践,着手搭建起了基地的一砖一瓦——“宇宙第一缕曙光探测”的大型低频射电望远镜阵列(21CMA)项目启动了。

  武向平和同事们致力于借助中性氢的21厘米辐射来探测早期宇宙,搜寻茫茫宇宙中第一代恒星的光芒并确定它们的诞生时刻,揭示宇宙从黑暗走向光明的历史。

  经历了一番艰苦创业,在天山深处,南北4公里、东西3公里的两条基线组成了21CMA基地阵列,其中共有81组、总计10287个天线。这是世界上最早建成并专门用于搜寻“宇宙第一缕曙光”的大型低频射电干涉望远镜阵列,在国际上率先获得了低频波段的宇宙图像。

  在21CMA基地建成之际,全世界给予了广泛的关注,国际权威期刊《科学》和《自然》都进行了报道。“该项科学试验具有很强的探索性质,因而承担巨大的风险。”

  武向平深知在这项研究的道路上注定困难重重。他说:“当初申请这个项目时,我就对评委们坦承过,成功的概率是51%,失败的概率是49%。所以我早就作好了长期攻坚克难的心理准备,从来都没有动摇过。”

  去天山,笑对艰苦环境

  在着手实现21CMA项目之前,武向平主要从事理论天体物理研究,而“宇宙第一缕曙光探测”必须借助天文观测而不是纯理论的推测。

  “我从小到大都特别喜欢探险,一看到野外探险节目就心潮澎湃,这个项目让我实现了探险的梦想。”武向平笑着说,然而,这探索之路困难重重,在追寻“宇宙第一缕曙光”的道路上,武向平一向都甘之如饴。

  21CMA的选址历时一年,最终选择了新疆天山海拔2650米高原上的乌拉斯台地区。武向平解释道,21CMA需要建在远离人类活动的地方,主要是为了避免城市电波污染以及各种潜在的干扰,比如调频广播和电视台,所以选择在电波环境相对干净、人烟稀少的偏远地区进行无线电环境和地形测量。

  观测站四周海拔3000余米的群山作为天然屏障有效地阻挡了来自其他地区的电磁辐射,可这也意味着研究基地的自然环境极其恶劣,生活和工作条件异常艰苦。在这举目荒芜的高寒地带,武向平和他的研究团队一待就是10年。项目运行时,武向平每个月都有一周的时间要在实验基地度过。

  “经常有学生问我去野外是不是很浪漫,我只能告诉他们别的地方可能是,但在21CMA基地,真的非常辛苦。”每次到达乌鲁木齐后,武向平和同事们都要历经4个小时的颠簸才能到达研究基地,中间还要途经一号冰川以及山石陡峭的被称为“老虎口”的风口,翻越海拔4280米的冰达坂。

  尽管野外生存环境艰苦,武向平和同事们并没有畏惧退缩,而是苦中求乐。在武向平办公室外的走廊里,有许多工作人员在21CMA基地的照片,每个人的脸上都笑靥如花。

  作研究,要耐得住寂寞

  然而,21CMA项目的实施并非一帆风顺。

  “虽然21CMA是世界上最先建成的设备,但目前的研究进展和队伍建设已经逐渐落后。”武向平说。由于后期的运行经费跟不上,现在21CMA基本处于非饱和运转状态,项目面对的最大困难就是运行资金和研究人员严重不足。

  与此同时,许多国家已经先后开展了类似“宇宙第一缕曙光”的探测,所投入的人力和财力远远大于21CMA。

  科研,从来都不是一件简单的事。“作研究,一定要耐得住寂寞才行。”在采访过程中,武向平反复强调这一科研信条。武向平坚持自己编写处理程序,针对“宇宙第一缕曙光探测”项目10年积累的大量数据进行理论研究和数据分析。

  “科学研究有一个基本的规律,就是知识的原始积累过程,这种积累也许需要一两代人才能完成,而最终突破性科研成果的获得都是这种积累的最终体现。”武向平认为年轻人一定要“敢想,敢做,敢说话”。

  虽然21CMA项目几度遭遇了现实的无奈,但武向平始终保持着积极乐观的心态,他相信在不久的将来,“宇宙第一缕曙光”一定会被看到,也许是在祖国西部的天山,也许是在世界的其他角落,科学探索虽有竞争,但绝无国界。

  “平方公里阵列”(SKA)是人类将要建造的最宏伟的射电天文设备,中国是SKA主要成员国之一,而21CMA项目是中国唯一一个在该研究领域积累了10年经验的探路者。

  武向平坚信不久后21CMA项目就会在国际射电天文学发展的大背景下迎来新的发展机遇,而他一直都会朝着探索第一缕曙光的目标执着前进。

  (原载于《中国科学报》 2016-06-20 第6版 院所)
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