發(fā)展國之重器 矢志仰望星空
——記國家天文臺副臺長、中國科學(xué)院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所所長朱永田

張靜怡

朱永田（左三）向國內(nèi)外專家介紹LAMOST多目標(biāo)光纖光譜儀

天文學(xué)家靠光譜分析，獲得遙遠(yuǎn)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(fā)出的光，就可以通過光譜分析知道這個天體到底由什么物質(zhì)構(gòu)成。其中，星系的光譜可以提供距離、化學(xué)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(xué)成分、溫度、年齡、質(zhì)量和演化歷史等。從大量光譜觀測中還可以發(fā)現(xiàn)許多奇異的天體和現(xiàn)象。

中國科學(xué)院國家天文臺副臺長、中國科學(xué)院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所所長（下稱“南京天光所”）朱永田研究員，在天文儀器與技術(shù)領(lǐng)域耕耘30載，為國內(nèi)天文機構(gòu)研制了多種大型天文光譜儀，還承擔(dān)國際重大天文設(shè)施的光譜儀器研制任務(wù)，取得了大批具有國際影響的科技成果。他不僅奠定了中國天文光譜技術(shù)基礎(chǔ)，開拓了中國太陽系外行星探測技術(shù)新領(lǐng)域，還培養(yǎng)造就了一只具有國際影響力的天文光譜探測技術(shù)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(yuǎn)鏡，可以看到月球上大大小小的環(huán)形山，但如果看天上的一顆顆星星，無論多大口徑的望遠(yuǎn)鏡卻也只能看到一個個小小的亮點。天文望遠(yuǎn)鏡是整個天文“觀測鏈”中的“集能器”，可以將遙遠(yuǎn)暗弱的天體發(fā)出的微弱光子收集起來，望遠(yuǎn)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(shù)、化學(xué)成分等，則必須依賴與望遠(yuǎn)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(xué)終端儀器，工作于望遠(yuǎn)鏡的焦點，它可以將天文望遠(yuǎn)鏡收集到的來自天體輻射的復(fù)色光分解為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(yuǎn)鏡相當(dāng)大的一部分觀測時間用來獲得天體的光譜數(shù)據(jù)。通過對天體的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，天文學(xué)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(guān)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(shè)計原理、準(zhǔn)則和體量上完全是不同的概念。20世紀(jì)80年代，一臺2米級望遠(yuǎn)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?！?/p>

1986年，從長春光學(xué)精密機械學(xué)院（現(xiàn)長春理工大學(xué)）光學(xué)工程系光學(xué)儀器專業(yè)本科畢業(yè)的朱永田，因為學(xué)習(xí)成績優(yōu)秀，各門功課幾乎滿分，他正好趕上著名光學(xué)專家潘君驊院士來校挑選學(xué)生，在學(xué)校教務(wù)長、著名激光專家沈柯教授和光學(xué)工程系主任毛英泰教授力薦下成為潘君驊院士的學(xué)生。正是在潘君驊院士的指導(dǎo)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(chuàng)新制造結(jié)下了不解之緣。

1986年，備受矚目的中國2．16米天文望遠(yuǎn)鏡開始在南京集成測試，與此同時中國天文界還醞釀為這架望遠(yuǎn)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(xué)界還沒有能力研制大型的天文光譜儀。結(jié)合這一重大需求，朱永田在潘院士的指導(dǎo)下完成了“階梯光柵光譜儀總體方案研究”項目，此后一直在天文光譜領(lǐng)域“深耕細(xì)作”，成為我國天文技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)科帶頭人之一。

在潘院士的精心指導(dǎo)下，經(jīng)過2．16米望遠(yuǎn)鏡高分辨率階梯光柵光譜儀研制全過程的鍛煉，從方案設(shè)計、系統(tǒng)集成與測試，朱永田完全系統(tǒng)性地掌握了大型天文光譜儀的研制技術(shù)，這也是潘院士有意培養(yǎng)天文光譜儀器技術(shù)帶頭人的初衷。

第一臺天文光譜儀研制成功后，中國的天文科學(xué)儀器研發(fā)逐漸駛?cè)肟燔嚨?，朱永田在天文光譜和高分辨成像技術(shù)的研究上推陳出新，逐步奠定了中國天文光譜探測技術(shù)基礎(chǔ)，先后為國內(nèi)大中型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡2．16米望遠(yuǎn)鏡和2．4米望遠(yuǎn)鏡，以及LAMOST望遠(yuǎn)鏡等成功研制了系列先進(jìn)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(xué)望遠(yuǎn)鏡——“大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜望遠(yuǎn)鏡－LAMOST”（郭守敬望遠(yuǎn)鏡）項目通過國家竣工驗收。

朱永田擔(dān)任LAMOST科學(xué)儀器負(fù)責(zé)人，主持研制成功的16臺多目標(biāo)中低分辨率光纖光譜儀，可以同時觀測4000個天體目標(biāo)。LAMOST視場達(dá)5°，在焦面上可放置4000根光纖，可將遙遠(yuǎn)天體的光分別傳輸?shù)蕉嗯_光譜儀中，同時獲得它們的光譜。從某種角度來說望遠(yuǎn)鏡口徑、臺址大氣視寧度決定著天文光譜儀的設(shè)計難度。大氣視寧度與光譜分辨率、光譜數(shù)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(shù)挑戰(zhàn)就是臺址視寧度差，對應(yīng)的光纖粗，影響光譜分辨率和光譜數(shù)量。設(shè)計工作從1997年開始，針對科學(xué)目標(biāo)（設(shè)計指標(biāo)），朱永田帶領(lǐng)團(tuán)隊進(jìn)行了總體方案研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊研制成功了世界上規(guī)模最大的多目標(biāo)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(wù),開啟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(zhì)量光譜數(shù)（S/N＞10）約是世界上其他地面巡天項目發(fā)布光譜數(shù)之和的2倍多。天文學(xué)家利用這些海量光譜數(shù)據(jù)，在銀河系結(jié)構(gòu)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(lǐng)域已經(jīng)取得了一系列有影響力的研究成果。

與潘君驊院士（左二）、長春理工大學(xué)原校長姜會林院士（左三）在“潘君驊星”命名儀式上合影。

挑戰(zhàn)極限填補國內(nèi)系外行星探測技術(shù)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(jì)重大科學(xué)問題之一，對理解生命起源和演化、認(rèn)知人類在宇宙中的地位具有重大科學(xué)意義。美國國家研究理事會兩期十年規(guī)劃報告中（天文和天體物理領(lǐng)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為重大戰(zhàn)略目標(biāo)。日內(nèi)瓦天文臺的兩位天文學(xué)家因首次發(fā)現(xiàn)圍繞類太陽恒星的系外行星而獲得2019年度諾貝爾物理學(xué)獎。發(fā)展太陽系外行星的探測技術(shù)，是朱永田近年來的另一個主要研究方向，也是當(dāng)前國際天文學(xué)界的前沿課題。

經(jīng)常見諸報端而又最讓普通民眾感興趣的問題是：人類何時能夠發(fā)現(xiàn)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(xué)意義，也是一項充滿未知又極具挑戰(zhàn)的艱苦工作。

“探測類地行星在技術(shù)上仍要克服很多困難，儀器的技術(shù)性能趨近于光電探測的極限?！敝煊捞镎f。

朱永田團(tuán)隊致力于兩種重要的系外行星探測技術(shù)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(fā)現(xiàn)系外行星的主要手段，而高對比度直接成像是確認(rèn)地外文明是否存在的最有力而可靠的證據(jù)。

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(yuǎn)鏡聯(lián)測，已發(fā)現(xiàn)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(wěn)定新技術(shù)，使用碘吸收盒定標(biāo)，視向速度實測精度達(dá)到～4m/s，成為我國系外行星探測的重要利器，也是中、日、韓系外行星聯(lián)測網(wǎng)的主干設(shè)備。為進(jìn)一步提高儀器的觀測精度，朱永田還帶領(lǐng)團(tuán)隊發(fā)展了基于天文激光頻率梳的高精度波長定標(biāo)技術(shù)，實現(xiàn)了10cm/s的定標(biāo)重復(fù)精度。

2007年至今，朱永田帶領(lǐng)團(tuán)隊在國內(nèi)率先開展了太陽系外行星直接成像技術(shù)的研究，并在高對比度直接成像技術(shù)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(shù)領(lǐng)域的重大難題，由于行星不發(fā)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(jīng)過十多年刻苦攻關(guān)，朱永田及團(tuán)隊突破了系外行星高對比度成像核心技術(shù)，包括超級自適應(yīng)光學(xué)、星冕儀、高對比度圖像處理技術(shù)；主持研制的系外行星高對比度成像儀，作為訪問儀器多次用于國際4米級望遠(yuǎn)鏡聯(lián)測，獲得了國內(nèi)首張系外行星的清晰圖像?；诙嗄陙碓诟邔Ρ榷瘸上窦夹g(shù)上的重大突破，朱永田團(tuán)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，該儀器研制成功后將成為空間首臺成像探測成熟系外行星的科學(xué)載荷。

學(xué)科引領(lǐng)奪世界天文領(lǐng)域發(fā)展先機

從伽利略首次用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測星空起，400多年來天文科學(xué)技術(shù)已從光學(xué)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?，F(xiàn)代天文望遠(yuǎn)鏡和光學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，在有力支撐天文學(xué)研究取得重大成就的同時，也在滿足國家戰(zhàn)略需求方面獲得了廣泛的應(yīng)用。

坐落于南京紫金山北麓玄武湖畔的中國科學(xué)院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所，已經(jīng)走過60多年的發(fā)展歷程，是我國天文與光學(xué)高新技術(shù)的重要科研和發(fā)展基地、國家大中型天文望遠(yuǎn)鏡及儀器設(shè)備的研制基地，以及天文技術(shù)與方法高級人才的培養(yǎng)基地。如今，中國的天文學(xué)家正利用這里研制的天文儀器，去實現(xiàn)探索宇宙終極奧秘的夢想。

朱永田團(tuán)隊先后為山東大學(xué)威海天文臺1米望遠(yuǎn)鏡、國家天文臺-興隆觀測站2．16米望遠(yuǎn)鏡、云南天文臺-麗江觀測基地2．4米望遠(yuǎn)鏡和1．8米望遠(yuǎn)鏡……研制了多臺各類光譜儀器。近年來，朱永田帶領(lǐng)南京天光所不斷發(fā)展壯大，建立了如今已有著50多人團(tuán)隊的天文光譜與高分辨成像技術(shù)研究室，掌握了大型天文光譜儀器的研制技術(shù)，不僅國內(nèi)絕大多數(shù)天文臺的光譜儀都出自這里，團(tuán)隊還積極參與各類國際合作項目，向國際輸出中國創(chuàng)造的天文技術(shù)和天文設(shè)備。

2010—2011年間，南京天光所天文光譜技術(shù)團(tuán)隊為中國極地研究中心先后研制成功了2臺極地極光光譜儀，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(xué)組成，為人類揭開更多的太陽風(fēng)活動規(guī)律。2014年10月，自主研制出口的第一臺專業(yè)天文觀測研究用階梯光柵光纖光譜儀（MRES），應(yīng)用于泰國國家天文臺2．4米望遠(yuǎn)鏡……

在朱永田的領(lǐng)導(dǎo)下，南京天光所進(jìn)一步凝煉科研發(fā)展目標(biāo)，聚焦天文學(xué)研究中的重大問題，開拓天文技術(shù)新領(lǐng)域，尤其是在天體生物學(xué)、集成光學(xué)、光子學(xué)、儀器儀表技術(shù)等與天文學(xué)、天體物理學(xué)交叉的學(xué)科領(lǐng)域不斷取得突破。

隨著現(xiàn)代天文光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，下一代地面及空間天文觀測儀器已開始采用更為復(fù)雜的光學(xué)設(shè)計方案。結(jié)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(lǐng)南京天光所致力于發(fā)展先進(jìn)制造和檢測裝備，完善關(guān)鍵技術(shù)與工藝，通過牽頭承擔(dān)重大光學(xué)系統(tǒng)研制任務(wù)，建設(shè)國內(nèi)獨具特色的高精度大口徑先進(jìn)光學(xué)制造中心，發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)與工藝，保持團(tuán)隊在領(lǐng)域內(nèi)的領(lǐng)先地位。

“下一代極大口徑光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡由于其大規(guī)模和高精度，代表了一個國家技術(shù)研發(fā)的前沿水平?！敝煊捞镎f，下一代極大口徑光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡的核心關(guān)鍵技術(shù)是子鏡的共相主動拼接技術(shù)和批量非圓形離軸非球面子鏡磨制技術(shù)，涉及高精度光學(xué)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(xué)科領(lǐng)域。

“十三五”和“十四五”除了向國家建議建設(shè)新一代中國大型光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡外，朱永田團(tuán)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(xué)望遠(yuǎn)鏡（T M T）、美國海爾望遠(yuǎn)鏡的下一代多通道光譜儀、世界最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡——西班牙GTC望遠(yuǎn)鏡的超穩(wěn)定高分辨率光譜儀、美國夏威夷MSE望遠(yuǎn)鏡的多目標(biāo)高分辨率光譜儀等項目都有南京天光所的貢獻(xiàn)，中國的天文技術(shù)正越來越深刻地影響世界。

薪火相傳培養(yǎng)專業(yè)過硬科技骨干

出生成長于吉林長春的朱永田，從小就對光學(xué)充滿興趣，高考時如愿考入長春光學(xué)精密機械學(xué)院（現(xiàn)長春理工大學(xué)）光學(xué)工程系光學(xué)儀器專業(yè)。與天文結(jié)緣純屬偶然，1986年，朱永田獲免試推薦到中國科學(xué)院紫金山天文臺，攻讀天體物理專業(yè)研究生，跟隨早年留學(xué)蘇聯(lián)的中國工程院院士潘君驊學(xué)習(xí)。

無論在治學(xué)還是科研上，潘君驊對朱永田的影響都非常深刻。在導(dǎo)師言傳身教下，朱永田不僅參與研發(fā)出折軸階梯光柵分光儀，還設(shè)計出兩非球面反射鏡非掃描式軟X射線投影光刻系統(tǒng)，該系統(tǒng)對波長13nm的軟X射線可獲Φ30mm的平象場和優(yōu)于0．1μm的光刻線條分辨率。

2010年至今，擔(dān)任南京天光所所長、國家天文臺副臺長、中國科學(xué)院天文光學(xué)技術(shù)重點實驗室主任以來，朱永田不僅要帶領(lǐng)團(tuán)隊在天文科學(xué)儀器研究中攻堅克難，為將中國天文儀器和技術(shù)事業(yè)傳承并不斷發(fā)揚光大，他還要總攬全局，培養(yǎng)一代代青年天文科技人才，培育和發(fā)展新的學(xué)科方向。師承潘君驊院士在治學(xué)上嚴(yán)謹(jǐn)求實、開拓創(chuàng)新、悉心育人的精神，朱永田將自己多年科研工作的經(jīng)驗和體會毫無保留地傳授給年輕一代科研人員和莘莘學(xué)子。

“技術(shù)不能保守，團(tuán)隊必須交流，學(xué)術(shù)帶頭人要將自己的經(jīng)驗傳授給年輕一代，讓他們少走彎路，盡快成長，后人就是要站在前人的肩膀上，才能走得更快、更遠(yuǎn)、更好?！?/p>

在管理科研團(tuán)隊上，朱永田有著自己的一套辦法。他根據(jù)每個人的專業(yè)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(tuán)隊中找到自己的主要發(fā)展方向并努力有所建樹。同時，他會針對每個人的性格和不同長處，實行優(yōu)勢互補、各揚所長，避免“木桶效應(yīng)”，在管理模式上堅持團(tuán)隊協(xié)同攻關(guān)下兼顧個人學(xué)術(shù)的成長發(fā)展，不斷讓團(tuán)隊保持創(chuàng)新力、凝聚力和戰(zhàn)斗力。

朱永田認(rèn)為，作為學(xué)術(shù)帶頭人，必須制定合適的發(fā)展路線，并建立自己對團(tuán)隊的影響力，無論在專業(yè)上還是管理上，要讓團(tuán)隊心甘情愿地向前邁進(jìn)。

讓他欣慰的是，經(jīng)過多年發(fā)展，南京天光所已經(jīng)培養(yǎng)出一批在專業(yè)上過硬的科技骨干。如今，35歲以下的年輕人才，占到了南京天光所研究人員的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(xué)裝置的建設(shè)，讓他們盡快成長，獨當(dāng)一面?！?/p>

朱永田甘為人梯，在培養(yǎng)提攜優(yōu)秀青年人才和促進(jìn)學(xué)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(chuàng)新，為推動國家天文光學(xué)技術(shù)事業(yè)進(jìn)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，作為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(fā)揚創(chuàng)新精神和奉獻(xiàn)精神，在天文科技創(chuàng)新領(lǐng)域勇攀高峰、不懈奮斗。

專家簡介

朱永田，中國科學(xué)院國家天文臺南京天文光學(xué)技術(shù)研究所研究員、所長，兼任國家天文臺副臺長，中國科學(xué)院大學(xué)特聘教授、博士生導(dǎo)師。1986年本科畢業(yè)于長春光學(xué)精密機械學(xué)院（現(xiàn)長春理工大學(xué)）光學(xué)工程系光學(xué)儀器專業(yè)，1989年于中國科學(xué)院紫金山天文臺獲天體物理理學(xué)碩士學(xué)位，1999年和2001年作為高級訪問學(xué)者分別參加了美國9米Hobby-Eberly望遠(yuǎn)鏡的高分辨率光譜儀和英國8米Gemini望遠(yuǎn)鏡高分辨率光譜儀的研制工作。長期從事天文光譜和高分辨成像技術(shù)、太陽系外行星探測技術(shù)的研究，曾先后參加了我國首臺大型天文高分辨率光譜儀——2.16米望遠(yuǎn)鏡折軸階梯光柵分光儀、中國-巴西地球資源衛(wèi)星紅外成像光譜儀等項目的設(shè)計和研制工作。主持完成多項國家自然科學(xué)基金委重點項目、重大儀器項目和國際（地區(qū)）合作與交流項目。曾擔(dān)任國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施LAMOST項目（郭守敬望遠(yuǎn)鏡）的科學(xué)儀器負(fù)責(zé)人，主持研制成功世界上規(guī)模最大的大型多目標(biāo)光纖光譜儀集群。曾獲國家科技進(jìn)步獎二等獎、中國科學(xué)院杰出科技成就獎、江蘇省科技進(jìn)步獎一等獎和中國科學(xué)院科技進(jìn)步獎二等獎。曾獲南京市有突出貢獻(xiàn)的中青年專家、江蘇省有突出貢獻(xiàn)的中青年專家、國家原“863”計劃-航空航天領(lǐng)域“十五”先進(jìn)個人、中國科學(xué)院優(yōu)秀研究生指導(dǎo)教師獎和國務(wù)院政府特殊津貼等多項表彰獎勵。