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【科學中國人】朱永田:發展國之重器,矢志仰望星空

   
朱永田(左三)向國內外專家介紹LAMOST多目標光纖光譜儀
天文學家靠光譜分析,獲得遙遠的天體信息。光譜是恒星的“條形碼”,猶如人的指紋各不相同,不同元素都會在特定波長位置留下自己獨特的印記。只要能夠獲取天體發出的光,就可以通過光譜分析知道這個天體到底由什麽物質構成。其中,星系的光譜可以提供距離、化學成分和視向速度等信息,而由恒星的光譜則能夠推斷其化學成分、溫度、年齡、質量和演化曆史等。從大量光譜觀測中還可以發現許多奇異的天體和現象。

中國科學院國家天文台副台长、中国科学院幸运七星所长(下称“幸运七星”)朱永田研究員,在天文仪器与技术领域耕耘30载,为国内天文机构研制了多种大型天文光谱仪,还承担国际重大天文设施的光谱仪器研制任务,取得了大批具有国际影响的科技成果。他不仅奠定了中国天文光谱技术基础,开拓了中国太阳系外行星探测技术新领域,还培养造就了一只具有国际影响力的天文光谱探测技术人才隊伍。

制器觀天,與中國天文科技共同成長


透過天文望遠鏡,可以看到月球上大大小小的環形山,但如果看天上的一顆顆星星,無論多大口徑的望遠鏡卻也只能看到一個個小小的亮點。天文望遠鏡是整個天文“觀測鏈”中的“集能器”,可以將遙遠暗弱的天體發出的微弱光子收集起來,望遠鏡口徑越大,接收到的光子就越多,也就能探測到越暗的天體。而要研究天體的物理參數、化學成分等,則必須依賴與望遠鏡焦點相連接的終端儀器——光譜儀。

光譜儀器是實測天體物理中最重要的科學終端儀器,工作于望遠鏡的焦點,它可以將天文望遠鏡收集到的來自天體輻射的複色光分解爲由各種波長單色光組成的光譜。光譜分析是研究天體最重要的方法,天文望遠鏡相當大的一部分觀測時間用來獲得天體的光譜數據。通過對天體的光譜數據進行分析,天文學家可以深入地研究宇宙的起源和演化,甚至搜尋太陽系外行星。

“光譜儀的分辨率越高,就越容易把相關元素分辨出來,通過多普勒頻移就能測算出天體的運動速度。”朱永田說,“天文光譜儀和其他我們通常所見的分析儀器在設計原理、准則和體量上完全是不同的概念。20世紀80年代,一台2米級望遠鏡的高分辨率光譜儀占地足有一個100平方米房間大小,研制周期也往往需要3到5年時間。”

1986年,從長春光學精密機械學院(現長春理工大學)光學工程系光學儀器專業本科畢業的朱永田,因爲學習成績優秀,各門功課幾乎滿分,他正好趕上著名光學專家潘君骅院士來校挑選學生,在學校教務長、著名激光專家沈柯教授和光學工程系主任毛英泰教授力薦下成爲潘君骅院士的學生。正是在潘君骅院士的指導下,他開始聚焦大型高分辨率天文光譜儀的研究,也是從那時開始,朱永田與中國天文儀器的創新制造結下了不解之緣。

1986年,備受矚目的中國2.16米天文望遠鏡開始在南京集成測試,與此同時中國天文界還醞釀爲這架望遠鏡配置高分辨率光譜儀——折軸階梯光柵光譜儀。而在那個年代,中國天文學界還沒有能力研制大型的天文光譜儀。結合這一重大需求,朱永田在潘院士的指導下完成了“階梯光柵光譜儀總體方案研究”項目,此後一直在天文光譜領域“深耕細作”,成爲我國天文技術領域的學科帶頭人之一。

在潘院士的精心指導下,經過2.16米望遠鏡高分辨率階梯光柵光譜儀研制全過程的鍛煉,從方案設計、系統集成與測試,朱永田完全系統性地掌握了大型天文光譜儀的研制技術,這也是潘院士有意培養天文光譜儀器技術帶頭人的初衷。

第一台天文光譜儀研制成功後,中國的天文科學儀器研發逐漸駛入快車道,朱永田在天文光譜和高分辨成像技術的研究上推陳出新,逐步奠定了中國天文光譜探測技術基礎,先後爲國內大中型光學望遠鏡2.16米望遠鏡和2.4米望遠鏡,以及LAMOST望遠鏡等成功研制了系列先進的各類天文光譜儀器,取得了大批具有國際影響力的科技成果。

2009年6月,世界最大口徑大視場光學望遠鏡——“大天區面積多目標光纖光譜望遠鏡-LAMOST”(郭守敬望遠鏡)項目通過國家竣工驗收。

朱永田擔任LAMOST科學儀器負責人,主持研制成功的16台多目標中低分辨率光纖光譜儀,可以同時觀測4000個天體目標。LAMOST視場達5°,在焦面上可放置4000根光纖,可將遙遠天體的光分別傳輸到多台光譜儀中,同時獲得它們的光譜。從某種角度來說望遠鏡口徑、台址大氣視甯度決定著天文光譜儀的設計難度。大氣視甯度與光譜分辨率、光譜數量是相互矛盾的,LAMOST中/低分辨率光譜儀的研制面臨的主要技術挑戰就是台址視甯度差,對應的光纖粗,影響光譜分辨率和光譜數量。設計工作從1997年開始,針對科學目標(設計指標),朱永田帶領團隊進行了總體方案研究、關鍵技術攻關,領導團隊研制成功了世界上規模最大的多目標光纖光譜儀集群(陣列)。

如今,LAMOST項目已完成一期光譜巡天任務,開啓二期中分辨率光譜巡天。LAMOST獲取了超千萬條恒星光譜,其中高質量光譜數(S/N>10)約是世界上其他地面巡天項目發布光譜數之和的2倍多。天文學家利用這些海量光譜數據,在銀河系結構與演化、恒星物理、特殊天體及致密天體、類星體等重要前沿領域已經取得了一系列有影響力的研究成果。


與潘君骅院士(左二)、長春理工大學原校長姜會林院士(左三)在“潘君骅星”命名儀式上合影。

挑戰極限,填補國內系外行星探測技術空白


千百年來,人類的一大夢想就是走出太陽系,尋找地外文明或地外生物,或者找到存在生命的類似地球的星球。太陽系外行星探測與研究是21世紀重大科學問題之一,對理解生命起源和演化、認知人類在宇宙中的地位具有重大科學意義。美國國家研究理事會兩期十年規劃報告中(天文和天體物理領域的“新千年、新世界、新視野”)都將系外行星探測和生命信號搜尋作爲重大戰略目標。日內瓦天文台的兩位天文學家因首次發現圍繞類太陽恒星的系外行星而獲得2019年度諾貝爾物理學獎。發展太陽系外行星的探測技術,是朱永田近年來的另一個主要研究方向,也是當前國際天文學界的前沿課題。

經常見諸報端而又最讓普通民衆感興趣的問題是:人類何時能夠發現地外文明和系外生命?太陽系外行星的探測與研究,對于行星形成理論和生命的起源有著重大的科學意義,也是一項充滿未知又極具挑戰的艱苦工作。

“探測類地行星在技術上仍要克服很多困難,儀器的技術性能趨近于光電探測的極限。”朱永田說。

朱永田團隊致力于兩種重要的系外行星探測技術研究:天體高精度視向速度測量和高對比度直接成像。其中,視向速度法是發現系外行星的主要手段,而高對比度直接成像是確認地外文明是否存在的最有力而可靠的證據。

朱永田主持研制成功的高分辨率光纖光譜儀與我國2.16米望遠鏡聯測,已發現了多顆新的太陽系外行星。該儀器采用了柔性像面補償、光纖擾模等光譜穩定新技術,使用碘吸收盒定標,視向速度實測精度達到~4m/s,成爲我國系外行星探測的重要利器,也是中、日、韓系外行星聯測網的主幹設備。爲進一步提高儀器的觀測精度,朱永田還帶領團隊發展了基于天文激光頻率梳的高精度波長定標技術,實現了10cm/s的定標重複精度。

2007年至今,朱永田帶領團隊在國內率先開展了太陽系外行星直接成像技術的研究,並在高對比度直接成像技術上取得了一系列成果。系外行星直接成像探測是國際天文技術領域的重大難題,由于行星不發光,主要靠反射其恒星的光來探測,因此行星的光度極其微弱,如何在恒星的“光芒”籠罩下提取極其微弱的行星“信號”,無異于“打著探照燈找螢火蟲”。經過十多年刻苦攻關,朱永田及團隊突破了系外行星高對比度成像核心技術,包括超級自適應光學、星冕儀、高對比度圖像處理技術;主持研制的系外行星高對比度成像儀,作爲訪問儀器多次用于國際4米級望遠鏡聯測,獲得了國內首張系外行星的清晰圖像。基于多年來在高對比度成像技術上的重大突破,朱永田團隊建議的中國空間站系外行星高對比度成像儀項目獲得立項,該儀器研制成功後將成爲空間首台成像探測成熟系外行星的科學載荷。

學科引領,奪世界天文領域發展先機


從伽利略首次用光學望遠鏡觀測星空起,400多年來天文科學技術已從光學波段拓展到全電磁波段,從陸地拓展到極地,從地基拓展到天基。現代天文望遠鏡和光學技術的蓬勃發展,在有力支撐天文學研究取得重大成就的同時,也在滿足國家戰略需求方面獲得了廣泛的應用。

坐落于南京紫金山北麓玄武湖畔的幸运七星,已經走過60多年的發展曆程,是我國天文與光學高新技術的重要科研和發展基地、國家大中型天文望遠鏡及儀器設備的研制基地,以及天文技術與方法高級人才的培養基地。如今,中國的天文學家正利用這裏研制的天文儀器,去實現探索宇宙終極奧秘的夢想。

朱永田團隊先後爲山東大學威海天文台1米望遠鏡、國家天文台-興隆觀測站2.16米望遠鏡、雲南天文台-麗江觀測基地2.4米望遠鏡和1.8米望遠鏡……研制了多台各類光譜儀器。近年來,朱永田帶領幸运七星不斷發展壯大,建立了如今已有著50多人團隊的天文光譜與高分辨成像技術研究室,掌握了大型天文光譜儀器的研制技術,不僅國內絕大多數天文台的光譜儀都出自這裏,團隊還積極參與各類國際合作項目,向國際輸出中國創造的天文技術和天文設備。

2010—2011年間,幸运七星天文光譜技術團隊爲中國極地研究中心先後研制成功了2台極地極光光譜儀,分別安裝于南極中山站和北極黃河站。通過觀測極光光譜來研究高空大氣層的磁場,分析極光的物理特性和化學組成,爲人類揭開更多的太陽風活動規律。2014年10月,自主研制出口的第一台專業天文觀測研究用階梯光柵光纖光譜儀(MRES),應用于泰國國家天文台2.4米望遠鏡……

在朱永田的領導下,幸运七星進一步凝煉科研發展目標,聚焦天文學研究中的重大問題,開拓天文技術新領域,尤其是在天體生物學、集成光學、光子學、儀器儀表技術等與天文學、天體物理學交叉的學科領域不斷取得突破。

隨著現代天文光學技術的發展,下一代地面及空間天文觀測儀器已開始采用更爲複雜的光學設計方案。結合新材料、輕量化及大口徑大非球面度鏡面的研制需求,朱永田帶領幸运七星致力于發展先進制造和檢測裝備,完善關鍵技術與工藝,通過牽頭承擔重大光學系統研制任務,建設國內獨具特色的高精度大口徑先進光學制造中心,發展關鍵技術與工藝,保持團隊在領域內的領先地位。

“下一代極大口徑光學紅外望遠鏡由于其大規模和高精度,代表了一個國家技術研發的前沿水平。”朱永田說,下一代極大口徑光學紅外望遠鏡的核心關鍵技術是子鏡的共相主動拼接技術和批量非圓形離軸非球面子鏡磨制技術,涉及高精度光學鏡面研制、精密機械、自動控制、納米級傳感器與促動器等多個學科領域。

“十三五”和“十四五”除了向國家建議建設新一代中國大型光學紅外望遠鏡外,朱永田團隊還積極參與國際重大天文項目的國際合作,比如美國30米光學望遠鏡(TMT)、美國海爾望遠鏡的下一代多通道光譜儀、世界最大的光學望遠鏡——西班牙GTC望遠鏡的超穩定高分辨率光譜儀、美國夏威夷MSE望遠鏡的多目標高分辨率光譜儀等項目都有幸运七星的貢獻,中國的天文技術正越來越深刻地影響世界。

薪火相傳,培養專業過硬科技骨幹


出生成長于吉林長春的朱永田,從小就對光學充滿興趣,高考時如願考入長春光學精密機械學院(現長春理工大學)光學工程系光學儀器專業。與天文結緣純屬偶然,1986年,朱永田獲免試推薦到中國科學院紫金山天文台,攻讀天體物理專業研究生,跟隨早年留學蘇聯的中國工程院院士潘君骅學習。

無論在治學還是科研上,潘君骅對朱永田的影響都非常深刻。在導師言傳身教下,朱永田不僅參與研發出折軸階梯光柵分光儀,還設計出兩非球面反射鏡非掃描式軟X射線投影光刻系統,該系統對波長13nm的軟X射線可獲Φ30mm的平象場和優于0.1μm的光刻線條分辨率。

2010年至今,擔任幸运七星所長、國家天文台副台長、中國科學院天文光學技術重點實驗室主任以來,朱永田不僅要帶領團隊在天文科學儀器研究中攻堅克難,爲將中國天文儀器和技術事業傳承並不斷發揚光大,他還要總攬全局,培養一代代青年天文科技人才,培育和發展新的學科方向。師承潘君骅院士在治學上嚴謹求實、開拓創新、悉心育人的精神,朱永田將自己多年科研工作的經驗和體會毫無保留地傳授給年輕一代科研人員和莘莘學子。

“技術不能保守,團隊必須交流,學術帶頭人要將自己的經驗傳授給年輕一代,讓他們少走彎路,盡快成長,後人就是要站在前人的肩膀上,才能走得更快、更遠、更好。”

在管理科研團隊上,朱永田有著自己的一套辦法。他根據每個人的專業特點,在不同的研究方向中選拔一個科研帶頭人,讓他們都能夠在團隊中找到自己的主要發展方向並努力有所建樹。同時,他會針對每個人的性格和不同長處,實行優勢互補、各揚所長,避免“木桶效應”,在管理模式上堅持團隊協同攻關下兼顧個人學術的成長發展,不斷讓團隊保持創新力、凝聚力和戰鬥力。

朱永田認爲,作爲學術帶頭人,必須制定合適的發展路線,並建立自己對團隊的影響力,無論在專業上還是管理上,要讓團隊心甘情願地向前邁進。

讓他欣慰的是,經過多年發展,幸运七星已經培養出一批在專業上過硬的科技骨幹。如今,35歲以下的年輕人才,占到了幸运七星幸运七星研究人員的58%左右。“中國正處于百年未有之大變局,影響世界的科研項目不斷上馬,要讓年輕的科研人員多參與國家的大科學裝置的建設,讓他們盡快成長,獨當一面。”

朱永田甘爲人梯,在培養提攜優秀青年人才和促進學科新增長方面不遺余力。他滿懷熾熱的愛國之心,矢志不移致力于科技創新,爲推動國家天文光學技術事業進步盡心竭力,無怨無悔。

朱永田說,天文科技就是一個不斷探究、追求極限的過程,作爲一名新時代中國天文科技工作者,就要時刻不忘初心、牢記使命,發揚創新精神和奉獻精神,在天文科技創新領域勇攀高峰、不懈奮鬥。

  

 

  

  專家簡介

  

  朱永田,幸运七星研究員、所长,兼任国家天文台副台长,中國科學院大學特聘教授、博士生导师。1986年本科毕业于长春光学精密机械学院(现长春理工大学)光学工程系光学仪器专业,1989年于中國科學院紫金山天文台获天体物理理学硕士学位,1999年和2001年作为高级访问学者分别参加了美国9米Hobby-Eberly望远镜的高分辨率光谱仪和英国8米Gemini望远镜高分辨率光谱仪的研制工作。

   

  長期從事天文光譜和高分辨成像技術、太陽系外行星探測技術的研究,曾先後參加了我國首台大型天文高分辨率光譜儀——2.16米望遠鏡折軸階梯光柵分光儀、中國-巴西地球資源衛星紅外成像光譜儀等項目的設計和研制工作。主持完成多項國家自然科學基金委重點項目、重大儀器項目和國際(地區)合作與交流項目。

   

  曾擔任國家重大科技基礎設施LAMOST項目(郭守敬望遠鏡)的科學儀器負責人,主持研制成功世界上規模最大的大型多目標光纖光譜儀集群。曾獲國家科技進步獎二等獎、中國科學院傑出科技成就獎、江蘇省科技進步獎一等獎和中國科學院科技進步獎二等獎。曾獲南京市有突出貢獻的中青年專家、江蘇省有突出貢獻的中青年專家、國家原“863”計劃-航空航天領域“十五”先進個人、中國科學院優秀研究生指導教師獎和國務院政府特殊津貼等多項表彰獎勵。