尋找宇宙中的第一束光

杜月嬌

2015年，一部《三體》刷亮了科幻世界。尤其當(dāng)8月底獲得雨果獎最佳長篇小說獎的消息傳來，一時間，《三體》風(fēng)頭無兩。當(dāng)人們在談?wù)摗度w》的時候，里面那些有趣的物理設(shè)定也被挖掘了出來，智子、水滴、二向箔、思想鋼印等超級神器會不會出現(xiàn)在未來世界？恒星、星系、黑洞、時空，茫茫宇宙中，到底還有多少未知？

從某種程度上說，《三體》的世界其實也是天體物理學(xué)和宇宙學(xué)的世界。江林華的生活中就貼滿了“類星體”“超大質(zhì)量黑洞”“高紅移星系”“宇宙再電離”等標(biāo)簽。在《三體》粉絲們看來，他的工作一定是“酷爆了”。真相如何，當(dāng)然只能由他來告訴大家。

探尋最遙遠(yuǎn)的宇宙

有人會以為，江林華是一個“看星星的人”。這其實是一個誤會。如果你真的拉著他在夜空里尋找星座的位置，他很可能答不上來?；蛘哒f，他的答案可能并不那么浪漫——一個精確的坐標(biāo)。數(shù)年來，通過天文望遠(yuǎn)鏡，他去追尋的就是一個個精確坐標(biāo)下的內(nèi)容。

“天體物理學(xué)研究整個宇宙是什么樣子、星系怎么形成、宇宙從何而來……”江林華說，“而我研究的是極其遙遠(yuǎn)的宇宙?！?/p>

“大爆炸宇宙論”認(rèn)為，宇宙是由一個致密熾熱的奇點于137億年前一次大爆炸后膨脹形成的。對這個擁有137億年高齡的宇宙，江林華滿心好奇，他渴望去追溯一百二三十億年前的那個年齡只有十多億歲的“小時候”的宇宙。

在現(xiàn)代宇宙學(xué)的主流觀點中，宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個時期里，宇宙體系不斷膨脹，使物質(zhì)密度從密變稀，如同一次規(guī)模巨大的爆炸?！按蟊ㄗ畛?，宇宙處于極高溫高壓之下，只有基本粒子包括光子存在。之后它們慢慢冷卻，在幾十萬年之后逐漸形成我們所知道的原子等基本的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。這個時候，宇宙是黑暗的，因為沒有太陽，也沒有星星，只有基本微粒?！痹诮秩A的講解下，筆者似乎看到了神話中的“混沌”。這種狀態(tài)一直延續(xù)到宇宙十幾億“歲”，此時，由于引力的作用，宇宙中發(fā)生了一次重大的變化——宇宙大結(jié)構(gòu)開始形成，出現(xiàn)了最原始的恒星、星系以及大型的黑洞，它們重新點亮了宇宙?！澳莻€時候，宇宙才呈現(xiàn)出現(xiàn)代宇宙的雛形?！?/p>

對于生命本源的探索是人類永恒的追求，當(dāng)生命范圍被擴大到整個宇宙，這份追求也是一樣的。2010年，美國國家研究委員會公布了題為《天文學(xué)與天體物理學(xué)的新世界和新地平線》的最新研究發(fā)展計劃，制定了2012年至2022年天文學(xué)與天體物理學(xué)研究議程。其中，發(fā)現(xiàn)系外宜居類地行星、探測“暗能量”之謎等被列入首要目標(biāo)名單。“他們的三大科學(xué)目標(biāo)之一，還有一個是尋找宇宙的第一束光，就是去叩問最開始的光是從哪里來的，大爆炸之后的第一代恒星、星系、黑洞等又是怎么來的。這也是我最重要的科學(xué)目標(biāo)?！苯秩A說道。

這個目標(biāo)的定位自然是謹(jǐn)慎的。他向來不贊成一時興起去做選擇，所以幾乎每個學(xué)生都被他問過一個問題：你是真的喜歡這個學(xué)科嗎？

他自己的答案當(dāng)然是肯定的?！拔液芟矚g這個方向”，江林華強調(diào)。“當(dāng)你走上基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，你得喜歡它。我們研究的這些，涉及了非常有意思的東西，看起來也很漂亮，但真正做下去，跟想象的其實很不一樣。并不是說每次的結(jié)果都能解決暗能量或者宇宙演化這種大問題，相反，我們要做的都是非常非常小的細(xì)節(jié)，需要經(jīng)常出差、開會、處理分析數(shù)據(jù)等等，日復(fù)一日地去做一些繁瑣的工作。你不能指望它來掙大錢，于生計上不會帶來大的收益。所以如果不感興趣，就不應(yīng)該做這個?！?/p>

但愿日后的學(xué)生不必漂洋過海

2014年9月，江林華來北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所報到了。他是研究所的新人，卻與北京大學(xué)淵源頗深。1996年，江林華就考到了北京大學(xué)天文系。從本科到保送碩士，北大天文系見證了他最好的青春。2003年7月，他拿到了碩士學(xué)位，兩個月后，站在了美國亞利桑那大學(xué)的校園里。

“美國國家天文臺觀測基地就建造在亞利桑那沙漠里的山上，這是一個特別適合天文觀測的地方。所以亞利桑那大學(xué)的天文學(xué)、行星科學(xué)、光學(xué)口碑都非常好?！背醯絹喞Ｄ谴髮W(xué)，江林華首先去做的就是了解所在的天文系以及導(dǎo)師樊曉輝教授。作為觀測宇宙學(xué)家，樊曉輝的研究主要集中在尋找宇宙中最遙遠(yuǎn)的類星體，并利用它們作為探測宇宙的早期演化。具體來說，樊曉輝的研究指向四大問題：宇宙中第一批天體何時出現(xiàn)？宇宙中第一批超大黑洞何時出現(xiàn)？早期超大黑洞黑洞和其宿主星系如何共同演化？第一代星系和類星體如何再電離宇宙星系際介質(zhì)，結(jié)束宇宙黑暗時代？

是不是看起來很眼熟？江林華在前面所講的方向，與此大體相同?！爱?dāng)時，我就是看老師做的方向很有意思。但我的方向并非一成不變的，最初只是做類星體和大質(zhì)量黑洞，慢慢又加上了別的。研究總不能太過于盯死一個方向。”在樊曉輝的研究小組中，江林華有機會去利用SDSS、CFHT、PansStarrs等巡天數(shù)據(jù)進(jìn)行大尺度星系和類星體巡天，并使用LBT、Keck、HST和ALMA等做后續(xù)觀測。亞利桑那先進(jìn)的儀器，令他嘆為觀止，也使他的研究之路如虎添翼。

從博士到博士后，江林華在亞利桑那大學(xué)8年。期間，以主要完成人身份承擔(dān)美國宇航局spitzer太空望遠(yuǎn)鏡項目3項，以主持人身份申請美國宇航局spitzer太空望遠(yuǎn)鏡項目和Hubble太空望遠(yuǎn)鏡項目各1項。2011年9月，他轉(zhuǎn)戰(zhàn)亞利桑那州立大學(xué)地球和空間學(xué)院工作，成了一位研究員。其后，又承擔(dān)了美國宇航局的數(shù)項項目。

十余年的科研之旅，江林華積攢了超過200個夜晚的觀測經(jīng)驗，包括100多個6～10米級望遠(yuǎn)鏡夜晚和100多個2～4米級望遠(yuǎn)鏡夜晚。不要小看這個數(shù)字。雖然哈勃望遠(yuǎn)鏡早在上世紀(jì)80年代就被造了出來，中國目前依然造不出這一級別的望遠(yuǎn)鏡，有些研究就需要去租用“別人家的”望遠(yuǎn)鏡，代價是一個晚上可能要幾萬美元，如果是下一代望遠(yuǎn)鏡，這個數(shù)字還要翻上幾番?！耙煌砩铣杀菊鬯銛?shù)十萬美元”，江林華說，“就如現(xiàn)代的粒子加速器，加速器一開，等于往里扔錢。這些巨額成本制約著科學(xué)的發(fā)展?！?/p>

如此一來，他倍加珍惜自己的海外歲月。那些年里，他利用SDSS巡天數(shù)據(jù)組織了大型高紅移類星體搜尋，利用幾個互補的搜尋高紅移類星體的方法，建立了第一個低光度的完備的高紅移類星體樣本。這些類星體樣本已經(jīng)成為研究宇宙再電離的重要數(shù)據(jù)之一。現(xiàn)在已知的70余個高紅移類星體中，20個是江林華發(fā)現(xiàn)的，另外還有20個左右是他與合作者共同發(fā)現(xiàn)的。

有了如此大的高紅移類星體群，他當(dāng)然不會放過對其進(jìn)行系統(tǒng)性的物理性質(zhì)研究。經(jīng)過多波段觀測，他在高紅移類星體中挖掘了一系列重要的亮點，如光度函數(shù)、中心黑洞質(zhì)量、金屬風(fēng)度、寄主星系性質(zhì)以及它們對宇宙再電離的影響等。目前，國際核心刊物上發(fā)表了他60多篇論文，引用超過5000次，其中，30余篇與高紅移類星體有關(guān)，有2000余次引用。

成績有了，江林華還是想回來。在他眼中，北大和以前完全不同了。作為96級的北大學(xué)生，江林華的本科生涯中還接觸不到太多國際上的新鮮研究。而現(xiàn)在，在全球信息化的大背景下，國際交流是一件非常容易的事，尤其對江林華這種國際合作密切的青年來說，更是如此。隨著中國在天體物理學(xué)等領(lǐng)域與國際上的差距逐步縮小，江林華也希望能夠為此做出貢獻(xiàn)?！霸诿绹?，要進(jìn)最好學(xué)校的天文系競爭很激烈，但是年輕人回來不都是因為找不到合適的位置，更想聯(lián)合起來做一些大事。在國內(nèi)，在北大，我們也可以站到最高點去做事，沒必要一定在國外。”

盡管有時也會為一些瑣碎的程序煩惱，江林華對現(xiàn)在的科研環(huán)境還是很滿意，尤其是對學(xué)生。“我對學(xué)生的要求向來是不聰明沒關(guān)系，但是要勤奮努力?！痹诿绹鴷r，他常常每天只睡6個多小時。雖然從不說要學(xué)生節(jié)假日或者周末加班的話，潛意識里，他還是希望學(xué)生能夠每周多工作一天，因為“某些人能比其他人做的好，都是極其勤奮的”。“北大學(xué)生的獨立性非常強，很多時候都不用去各種要求他們，他們本身就很刻苦。”

說是“不用管”，江林華還是會在一開始就告訴學(xué)生們一些注意事項：要多交流，多聽不同方向的人的報告，每天讀最新的文章，最基本的數(shù)據(jù)處理等知識要懂得……說完這些，他才會真的放手去讓學(xué)生自己想，哪怕給學(xué)生的是經(jīng)過精心設(shè)計可以看到好結(jié)果的課題，他也會提醒學(xué)生不要簡單地按照他的思路去做，要有自己的想法。

“剛跟樊曉輝教授時，他給了我一個課題，我還問他接下去我應(yīng)該做什么。后來，他跟我喝咖啡的時候說，以后永遠(yuǎn)不要問我接下去要做什么，你要帶著自己的想法來做，哪怕是錯的也沒關(guān)系?！弊源酥螅麄€博士階段，江林華都開始了“獨立”之旅，從確定方向到寫項目申請，從觀測數(shù)據(jù)到處理結(jié)果，都是自己來，“開始很困難，后來就好了。如果手把手教，很可能畢業(yè)之后都不知道怎么做?！?/p>

現(xiàn)在，江林華已經(jīng)入選第十一批青年“千人計劃”，樊曉輝教授也作為短期“千人計劃”專家，每年在科維理天文與天體物理研究所工作兩個月。師生倆再次聚首，也是一段佳話?！耙郧霸诿绹瑓⒓尤A人聚會的時候，我們常常開玩笑說，等到多少年之后，我們的學(xué)生我們的后代再也不用漂洋過海，在中國就能做最優(yōu)的研究，我們就心滿意足了。”江林華笑道，“這是一個愿望?！?/p>

走上這條路注定喜歡這種生活

10月6日，瑞典皇家科學(xué)院將2015年諾貝爾物理學(xué)獎授予了梶田隆章及阿瑟·麥克唐納，他們發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩，并提出更深遠(yuǎn)的結(jié)論：長期以來被認(rèn)為是沒有質(zhì)量的中微子，竟然是有質(zhì)量的。諾貝爾獎評選委員會在聲明中稱，該研究為“粒子世界的蛻變”。

“到這個階段，粒子物理已經(jīng)是完美了。但即使完美，我們所知的所有物質(zhì)也只占宇宙構(gòu)成的百分之四點幾，此外還有20%?30%是暗物質(zhì)，還有近70%的暗能量一無所知?！彼J(rèn)為，要探索出宇宙中更多的未知內(nèi)容，就不能固守在自身的一個領(lǐng)域內(nèi)，所謂的交流，不只是國際交流，還有學(xué)科交叉?！氨热缯f照相機和天文望遠(yuǎn)鏡都需要精度，但我們對精度的要求顯然要高得多。我們?nèi)ヌ綔y宇宙最深處，也許就是蹲在地球一座黑暗的山上，去看火星上的一根蠟燭，精度要準(zhǔn)確到這種級別。這是天體物理學(xué)提出的需求，但是要由工程師來實現(xiàn)。”在科維理天文與天體物理研究所，江林華的樓下經(jīng)常會有不同方向上的報告。江林華很喜歡去聽，在他看來，思想就是要多碰撞，“萬一摩擦出火花呢。”

回國剛一年，江林華很忙，參加評審、面試學(xué)生、指導(dǎo)學(xué)生、組織會議、國外合作……工作上要忙，兩個孩子的戶口還要上，很多繁瑣的事占據(jù)了他的時間，忙不過來，連飛機上都要工作。

“目前有很多事情要做，比如基于SDSS數(shù)據(jù)的高紅移類星體巡天，充分利用各種SDSS數(shù)據(jù)建立一個獨特的高紅移類星體樣本。一旦建成，這個樣本不僅是最大，也將是最均勻和最完備的。這對于我們計算目標(biāo)天體的各種統(tǒng)計性質(zhì)，如光度函數(shù)和質(zhì)量函數(shù)等至關(guān)重要?！?/p>

并非大話，江林華的小組是目前主要的大規(guī)模利用SDSS數(shù)據(jù)搜尋高紅移類星體的小組。要完成這樣一個獨一無二的項目，觀測時間必須要足夠。他主要利用國際上的開放性望遠(yuǎn)鏡時間，及利用在國際上的學(xué)術(shù)人脈獲取時間。此外，他們還將通過TAP計劃申請國外大型望遠(yuǎn)鏡時間。當(dāng)然他也計劃將來用中國自己的2.4米麗江望遠(yuǎn)鏡。他相信要完成足夠的數(shù)據(jù)樣本不成問題。

“國家自然科學(xué)基金的項目在申請，小的項目也在整理。剛帶了兩個研究生和幾個本科生，要分別給他們設(shè)計做什么……”說到這里，江林華低頭細(xì)思，“時間好像有點不夠?！痹趯W(xué)霸江林華的早年的北大記憶中，他的愛好就是長跑和踢球，每天做完喜歡的運動，“除了學(xué)習(xí)，不知道還能干什么”。難怪現(xiàn)在他能有每天超過12個小時的工作時間，“這不是被逼的。走上這條路，注定要喜歡這種生活?！?/p>