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大胆追梦,他发现了“超级地球”! 瓦肯星

【编者按:适逢中国改革开放40周年,美国格律文化传媒集团全媒体平台携手上海东方网,联合全球多家机构、留学组织和华文媒体,跨越十余个国家和地区,隆重推出“中国留学生的四十年”大型专题报道,记录40年留学潮中40位中国留学生的命运与故事、奋斗与荣光。以海外学人的心路,见证中国崛起;以中国留学生的视角,回望改革开放。今日刊发第三十一期,葛健:大胆追梦,他发现了“超级地球”!】

葛健的座右铭。

《星际迷航》(Star Trek)科幻系列剧中,宇宙和星际联邦中最重要的智慧种族之一瓦肯人的母星瓦肯星(Vulcan Planet)位于娜瓦萨(Nevasa)恒星系主恒星娜瓦萨周围的一颗行星上,围绕恒星HD26965(也称作波江座40A)运行,距离地球大约16光年。2018年7月,英国《皇家天文学月刊》刊登了佛罗里达大学天文学系教授葛健及其博士后马波等撰写的研究论文。葛健和他所带领的观测研究团队,在《星际迷航》中斯波克家乡的波江座40A恒星的周围发现了一颗被称为“超级地球”的瓦肯星。

葛健与观测团队合影。

葛健表示,新发现的瓦肯星(官方称为HD26965b)在围绕类似太阳的恒星运行的超级行星中,是离人类最近的一颗。这颗行星的半径约为地球的约两倍,质量约是地球的8倍,公转周期42天。根据葛健团队的测量数据,这颗超级地球和《星际迷航》剧中幻想的瓦肯星几乎无异:距离地球也是大约16光年。

葛健及团队所发现的超级地球想象图。 By Don Davis

从一到无穷大:为天文梦想来美

葛健是安徽舒城人,家中的长子,父母都是教师。他认为他从母亲那里继承了个人素质,而父亲强烈的好奇心传给了他,并鼓励他独立思考。葛健自称从小淘气,有多动症和轻度自闭症。因为父亲典型的中国式家长作风的严厉管教打压,曾经极度缺乏自信心,好在母亲的包容给了他安慰与平衡。葛健从小沉浸在自己的小世界中,喜欢琢磨玩具模型,8岁时根据大炮原理琢磨出用钢管、爆竹、沙石自制小土炮。由于父母经常忙于工作,不受约束的童年有鲁莽有冒险,但却给了他从小自由成长的空间。

葛健留学期间照片。

对天文的梦想源于何处?葛健回忆,13岁时阅读了他的表姐夫贾振法赠送的伽莫夫的科普经典著作《从一到无穷大》,书中展示了宇宙和太阳系的起源、天文距离测量等丰富想象的空间,点燃他对天文学的浓厚兴趣,梦想有朝一日成为天文学家。

1984年,葛健从安徽省重点六安一中毕业,以全校第二名的优异成绩考入中国科技大学,最终学习理论物理。中科大毕业后,葛健因成绩优良免试被选拔成为北京国家天文台研究生。1992年,葛健来美留学,就读于美国天文学专业最优秀的大学之一亚利桑那大学,攻读天文博士,开始了在美国天文学研究领域的寻梦之旅。

葛健青年时期照片。

葛健与本科同学合影。

葛健进入亚利桑那大学起先学习天体物理理论,慢慢延伸到天文观测(主要做宇宙观测),接触到一流的天文研究和项目,有过几次早期宇宙的背景温度测量和氢分子的重大发现。在美国大学宽松开放、相对自由的学术环境里,葛健感觉自己恢复了天性,在强烈的好奇心驱动下,顺从自己对天文科学的热情和兴趣,逐步提升研究“品味” 和追求。从开始只做理论,拓宽到天文观测,再到对天文仪器和天文技术的研究,都不只是简单的完成任务,而是努力把每一项工作做到极致。

突破瓶颈,科学道路没有捷径

刚到美国时,葛健遇到很多困难。其中,语言是最大的困扰,因为出国前他几乎没有过英文交流。葛健硬着头皮主动寻找各种交流的机会,不放弃参与系里各种聚会和活动,当时还被美国友人夸赞主动努力、大有前途。他回忆,英语进步最大的时期是三年后开始涉及天文仪器制作的项目。与天文观测和天文理论不同,天文仪器项目需要团队协作,需要与校内校外各种人,各种公司打交道,包括组织领导能力的锻炼。这样,交流瓶颈一下打开了,语言关也就突破了。

葛健采访照。

中美文化差异也是一个不可忽视的障碍。美国人讲究法律,遵守规范,中国人相对守法概念淡薄,所以很多事情与国内做法不同。葛健当时结交了不少美国朋友,一起上课,一起做观测、数据处理分析、研制仪器等。出现文化冲突或不同理解时,他随时请教学习,得到指点启发,慢慢理解,调整适应。

葛健表示,中美学术研究风格的差异也时时必须面对和克服。美国人做事凭兴趣,好奇心驱使产生疑问与思考,然后投入钻研,重在探求的整个过程。中国人似乎更看重结果,目的性明显,过程往往被忽略。这样一来,华人做科研最大的问题往往是急功近利,追求捷径。虽然容易出结果,但继续深入则需要极大的耐心和持之以恒的坚持。葛健最终意识到,科学没有捷径可走,潜心钻研才能做出真正有用的科学。他为此不停反省,并经历了长时间艰难的调整。

独立原创是成功的必需

1992年以后,加大及加州理工10米Keck望远镜开始工作,葛健所用的亚利桑那大学4.5米望远镜(MMT)很难竞争,他开始有了危机感。1995年,葛健同样观测目标的论文尚未发表,得益于先进的仪器,英国研究团队与加州理工合作,已拿出质量十倍的结果并发表。巨大冲击下,葛健意识到,没有一流的设备,就很难做一流的科学。尽管观测领域已经有不少重大发现,他还是痛下决心潜心研究天文技术和仪器,并将此作为博士论文主题。这是对其事业影响重大的转折,

此后,在博士研究生第五年,葛健虽然成就突出,被邀请到国际学术会议做报告,助导师获得百万美金研究项目经费和空间望远镜的宝贵时间等,但是申请北卡罗来纳大学助教及美国国家光学天文台助理天文学家的职位上,虽然进入候选名单,仍然遭拒。受挫后葛健意识到,独立和原创是得到这些天文领域最佳职位的必要条件。于是他到劳伦斯利物浦(LLNL)国家实验室做博士后,开始自己独立的天文仪器和技术的研究项目。由于他很快在新技术方面取得重大突破。例如,研制出世界第一个红外硅棱镜光栅,和用光学干涉仪做精确视像速度测量的可行性天文台首次演示,博士后18个月后,宾州州立大学为其提供助理教授教职。他坦陈,在美国天文科学领域未获助理教授以上职位,很难继续走独立研究的道路。

在宾州州立大学任助教不到四年,葛健又收获佛罗里达大学教授终身教职,包括近300万美金启动资金,完备的天文仪器团队支持等优厚待遇。佛罗里达大学在天文学领域的研究处于快速上升期,天文技术和仪器无论全美或全世界都属领先,不少世界级的天文望远镜使用的天文仪器都由佛罗里达天文系制作。该大学天文领域有很多前沿方向,包括葛健的地外行星巡天项目,在世界天文学界也都处于领先地位。

目前,葛健的研究团队近20人,由博士后、博士生、工程技术人员、本科生及访问学者组成。团队研究项目主要活跃在地外行星巡天项目、宇宙学高红移类星体吸收体的探测和表征、人工智能在天文大数据的应用(利用AI 在大数据里寻找新的发现)及天文技术发展。目前,他的团队首次在斯隆高红移类星体光谱用AI找到大量早期吸收体。

130多次观测,终于发现“超级地球”

2006年,葛健主导利用全新技术光学干涉仪的方式首次发现地外行星,而传统上使用高色散光谱仪的方式。这是一项重大的技术突破,其优势是仪器小而便宜,可用于做多目标的地外行星巡天项目。葛健因此成为首位发现地外行星的华裔科学家。同年,其团队首次研制成大面积的红外硅浸没光栅。另外,他的合作伙伴(Marc Kuchner),一位博士生(Justin Crepp)和他本人在2005年发明的八阶成像日冕仪技术在2006年被NASA的TPF下一代空间天文台选为其中一个关键技术。

葛健与同事合影。

以此为开端,葛健和他的团队一发不可收拾,不断有重大发现和技术突破,引起极大关注的“超级地球”肯瓦星的发现是其中之一。2014年开始,葛健团队使用田纳西州立大学的2米望远镜,与自己设计制作的仪器TOU搭配进行先导观测。一年多搜寻观测了20多颗太阳系附近的类太阳恒星,其中一颗波江座40A显示视像速度的变化,探测到了信号。

2016年10月,葛健团队开始使用自己的达摩基金望远镜(DEFT:Dharma Endowment Foundation Telescope)。利用TOU光谱仪,依托亚利桑那南部梭蒙山上的50英寸专用自动化达摩基金望远镜进一步观测,终于清晰探测到,波江座40A在42天周期里以最大约每秒1.8米的视像速度来回移动。通过后续数据合并分析,整合前人的观测数据,由合作伙伴提供光度数据,终于确定“超级地球”这种地外行星。2018年4月,论文发给《英国皇家天文月刊》后,田纳西州立大学合作伙伴意识到,新发现的超级地球几乎与《星际迷航》中的瓦肯星一模一样。7月份论文正式出版。

葛健表示,“超级地球”观测超过130次以上,也就是130多个晴夜,通过高频观测得出结论。工程项目跨越了光学、机械、软件、控制四大方面,即所谓“光机电控制”。整个过程中,他本人不停学习,与各领域专家和技术人员讨论交流,组织领导团队,提出问题,解决问题,找出比较好的方案。

葛健开会照片。

瓦肯星“超级地球”是与太阳相似的恒星周围离人类最近的一颗,为今后研究这种与地球相似的行星提供可能性。这种行星究竟是什么样的性质,有没有大气,能否有生命生存,都可能引发一系列未来的研究方向。 而现有找到的类似行星,大都非常远,很难细致研究。从人类的空间探索角度着眼,距地球越近,才有可能去探测。甚至人类未来的太空旅行可能也是首先考虑的目标。

此外,葛健团队利用干涉仪技术首次发展出多目标高精度视像速度测量技术(60个目标)。这一技术吸引国际著名的“斯隆巡天”关注并达成合作,葛建成为“斯隆巡天三期”四个项目之一的“MARVELS”巡天项目的首席科学家。4年时间,葛健团队用广角斯隆望远镜观测超过5000多颗类太阳恒星,相比整个天文学界二十年,十几台单目标视像速度仪,也只观测到类似数目的恒星。

在MARVELS观测得到的数据里,他们也找到400多个新的双星,20多个棕矮星,一个巨行星。并在双星系统首次找到一个巨行星与棕矮星的非常特殊的行星系统。这些工作在天文领域有一定影响力。其次,数据中也发现数十个巨行星候选者。随着数据软件和分析的进一步提高,葛健自信,应该会有更多巨行星在MARVELS数据中被发现。据介绍,葛健和其博士后马波在棕矮星统计方面也很出色,他们分析发现棕矮星多半由两个机制形成,一组可能跟恒星形成相似,另一组跟行星形成相似。这是天文学界第一次发现这个规律。

除了在地外行星的大量观测分析,葛健团队在宇宙学方面也有重要突破,如通过斯隆已释放的巡天类星体光谱数据,他们发现近千个早期宇宙的尘埃吸收体,属于一类新的类星体吸收体,可以通过哈勃望远镜和地面的大型光学望远镜的观测,就可以基本核实这些目标。这类天体可以在跟踪和研究整个宇宙正常星系形成演化的过程起到重要作用。

培养创造力,要从青少年开始

葛健认为,“超级地球”的发现,除了科学价值,它也是人类几十年的梦想被证实。科学和社会的进步都是凭着人的想象而起,超级地球的发现是其中之一。其意义既促进科学的发展,也鼓舞对科学有兴趣的青少年不放弃追逐梦想。

葛健与少年天才培训项目成员合影。

经历其中,葛健亲身感触,美国在空间研究的优势独一无二,这和其民族特性有关,因为美国是冒险的民族。太空探索,或太空观测,都符合其冒险精神。中国传统文化教育或束缚了儿童好奇的天性,也不鼓励冒险精神的发扬。中国如果想赶超,就需要从儿童开始培养好奇心和冒险精神。

为此,葛健开办了青少年夏令营,除了要弥补少年时代对科学的兴趣未能得到引导和鼓励的遗憾,也希望激发年轻学生的好奇心和科学探索的冒险精神,并培养他们科研必备的各种综合素质。葛健表示,他在思考更大的问题:在人工智能的时代,什么是人类最重要的东西?那就是机器无法替代的人的创造力和欣赏力。而培养创造力需要从青少年开始。

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