扬眼纪实|崔向群:让“巡天之眼”傲视苍穹
2024-02-01 17:20

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崔向群

南京天文光学技术研究所离紫金山不远,环境非常优美。崔向群院士接受采访时的第一句话是,我们这个地方好啊,坐在办公室里,就能看到不远处的紫金山上的天文观测台。这与其说是赞美这里的环境,不如说是表达她对天文事业的热爱。采访时,崔向群作为女性科学家的细腻和体贴便体现出来,她从近代天文学的起始,到紫金山天文台的创建;从天文界前辈高鲁、余青松、张钰哲,到她的老师与同道杨世杰、胡宁生、王绶琯、苏定强等,娓娓道来,条分缕析。当她谈到大视场巡天望远镜时,更是如数家珍,侃侃而谈……

舟山夜谈

萌生中国天文望远镜研制新计划

 

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舟山


20世纪80年代中期的一个晚上,一批国内外天文学家乘着在浙江开会的间隙,夜航舟山。

在一个简陋的船舱里,时任中国天文学会理事长的王绶琯、北京天文台研究员陈建生与苏定强促膝而谈。在这次交谈中,三人经过慎重考虑,约定认准一个新的目标,独辟蹊径,开展大规模有缝光谱巡天,迎接这个挑战。

这就是在天文学界传为佳话的“舟山夜谈”。当初谁也没有意识到,这次“舟山夜谈”将翻开中国天文学史上新的一页。

舟山夜谈之后不久,王绶琯和苏定强便组织了一个研究核心团队,并邀请一些天文学研究和天文仪器研制的骨干开展经常性的讨论。随着讨论的深入,王绶琯集中大家的意见后提出,把注意力都集中到天文光谱观测问题上,并迅速聚焦在多年来国际天文学研究中经过诸多尝试但仍未能解决的难题,有针对性、独创性地设计出一个兼备“足够大的口径”和“足够大的视场”的天文望远镜。

于是,王绶琯和苏定强着手拟订具体的方案。三易其稿,最终确定为:采用苏定强独创的主动反射施密特望远镜光学系统,将光轴倾斜25度沿南北方向放置,焦面至球面主镜固定,用曲面面形不断变化的主动施密特改正镜跟踪天体。

这个独特的光学系统被称为“王—苏反射施密特望远镜光学系统”,即:球面镜直径6.5m,反射施密特改正镜5m,焦距20m,焦比为5,视场为20平方度,有世界上最大的望远镜焦面,可以很容易地在焦面上安放4000根甚至数万根光纤。

这就是大视场巡天望远镜——LAMOST的最初蓝图。

要把蓝图变为现实,还有漫长的路要走。而此时,王绶琯已进入古稀之年,他还有两件未竟之事——射电天文研究和青少年科学素质培养。他对苏定强说,我要在我的有生之年,把自己一直想做但一直没有时间去做的两件事做好,巡天望远镜项目只能拜托你来领衔了。

不是拜托,而是重托。苏定强知道,王绶琯对他既是信任也是压担子。他义不容辞,表示不辜负王绶馆的期望,一定要把巡天望远镜项目做成做好。同时他提出,这副担子决不是他一个人所能承担的,需要尽快招募人才,组建团队。

谁来担当这个团队的带头人呢?苏定强和王绶琯不约而同地想到了崔向群。

崔向群,1951年12月生于重庆市万州区。她原在成都市上小学,四年级时随父母亲工作调动转学到四川省永川县小学。她喜欢看童话故事和小说,尤其喜欢看《十万个为什么》,让她增加了很多有趣的知识,并由此对科学产生了兴趣。

1964年,崔向群考入永川中学,担任班上的数学课代表,但她更喜欢物理,觉得物理能解释许多东西,所以物理成绩特别优秀。崔向群在“上山下乡”的热潮中,来到江西生产建设兵团第11团。3年后,她被推荐上大学,到华东工程学院学习。

1972年,崔向群来到南京,跨进了华东工程学院的大门,就读于光学仪器专业。她十分珍惜来之不易的学习机会,非常勤奋地学习。大学毕业后,她如愿前往光学仪器厂工作。

根据厂里安排,崔向群到光学车间当了工人。她与其他工人一样,积极地参与镜面抛光等体力劳动。劳动中,她还处处留心,开动脑筋,提出一些合理化建议和改进措施。比如她看到黏接透镜火漆仍采用人工手捏这一原始办法,既费时费工,又大小不一,就自行设计了火漆机,并请车间里的机修师傅将其做出来给工人试用,一举取得成功。她还将光学车间从来没有人会用的几台高速抛光机开发使用,大批量抛光透镜,得到领导和工人们的啧啧称赞。

山中方一日,世上已千年。1977年的一天,她突然从厂里的高音喇叭里转播的新闻中得知,国家恢复了高考,而且同时开始招收研究生。

崔向群心花怒放,选报了中国科学院南京天文仪器厂天文光学专业的研究生。当时军工厂生产任务很重,每天都要工作10小时以上,她只能利用所有空余时间复习备考。经过初试和复试,她终于通过了研究生考试。当收到中国科学院研究生院的录取通知书时,她高兴得热泪盈眶。

1978年,崔向群如愿以偿成为中国科学院“文革”后的首批研究生,由此迈进了天文学的大门,开始了她人生中重要的新起点——从事天文光学望远镜研究。毕业后,她留在中国科学院南京天文仪器厂工作。幸运的是,工作之初就在苏定强、胡宁生等天文学家的指导下,参与了当时我国口径最大的红外望远镜——1.26m望远镜的设计工作,并以自己的才华与肯干初露头角。

毅然归国

投身天文事业崔向群勇挑大梁

 

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崔向群赴英国 Jodrell Bank 射电天文台访问学习


1985年,她被中国科学院选派赴英国Jodrell Bank射电天文台访问学习。在那里,她得到了当时的英国皇家天文学家、天文台台长、教授Francis Graham Smith爵士的称赞。随后,Smith推荐崔向群到欧洲南方天文台总部工作,参与了20世纪末世界上最大的天文光学望远镜——8.2m口径光学望远镜阵项目。

就在她干得风生水起之时,突然有一天,收到了苏定强的来信。信中苏定强代表王绶琯殷切期望崔向群回国负责光谱巡天望远镜,并介绍了光谱巡天望远镜的情况。

崔向群既感到非常高兴,又有些许为难。她一遍又一遍捧读苏定强老师的来信,也一遍又一遍地问自己:是留下还是回去呢?

显然,在她的内心世界里,服务祖国是众多选项中最为重要的选择,振兴祖国的天文事业是她义不容辞的责任。她向欧洲南方天文台提出请辞,并给苏定强回信说,我决定回国了。

崔向群刚回国不久,中国科学院基础研究局钱文藻局长在第一次见到崔向群时,语重心长地对她说,LAMOST就拜托你了!崔向群深感肩上的担子不轻。不久,褚耀泉、苏洪钧、赵永恒、李国平等人也分别到位,与崔向群一起组成了LAMOST建设团队。

但在他们面前,实际困难与挑战着实不小。譬如,计划最好采用整块的5m和6.5m的两块大口径镜面,而整个项目经费只有2亿多元人民币,经费缺口很大,因此只能做一个光学系统用两块拼接镜面,这在世界上还没有人做过。更难的是,有一块主动变形镜,既要主动变形又要拼接,精度要求是头发丝数千分之一,这又是一个世界级技术难题。同时,LAMOST计划使用4000根光纤,是当时光纤数量最多的斯隆巡天计划SDSS的7倍。

庆幸的是,他们遇上了有利的“大气候”。

“九五”计划期间,我国决定筹建一批大型科学工程项目,以促进我国国家战略层面高新技术的发展和基础科研水平的提高。当时共有10多个重大天文观测设备参选,竞争相当激烈。LAMOST项目经过天文界的层层评选最终被申报上去。

LAMOST的总体方案和技术创新意识与前瞻性的科学目标得到了专家评委的高度认同。经层层筛选和评审,最终LAMOST以其独特的优势和创新的理念,毫无悬念地从众多的项目中脱颖而出,成为天文界的“宠儿”,正式被立项为国家重大科学工程。

1996年,国家计划委员会正式批复LAMOST项目建议书。批复中要求由中国科学院承担建设LAMOST望远镜国家重大科学工程项目。紧接着,国家计委批复了项目的可行性研究报告。

至此,LAMOST建设工程正式启动了。

工程决战

燕山深处一座观测楼拔地而起

 

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王亚男、苏定强、王绶琯、崔向群在建设中的LAMOST台址合影


LAMOST是一个雄心勃勃的天文项目,要从当时国际上用600多条光纤一次拍摄600多个天体的光谱的水平,提高到用4000条光纤一次拍摄4000个天体的光谱,这将使世界上光谱巡天望远镜的最高效率提高一个数量级。

1995年,王绶琯、苏定强、褚耀泉、崔向群、王亚男五位科学家共同发表了《一类大规模光谱巡天大型施密特望远镜的特殊装置》一文,对LAMOST的总体方案进行了系统的描述,为LAMOST的具体设计和研制奠定了重要的基础。之后又经多次探讨和比较分析,LAMOST台址定在燕山深处的国家天文台兴隆观测站。

1996年10月,LAMOST项目工程指挥部成立,项目总经理为苏洪钧。两年后,崔向群被正式聘为LAMOST项目总工程师。作为总工程师,崔向群直接领导LAMOST望远镜的设计和研制工作,并亲自承担了其中最重要也是最难的主动光学工作。她清楚地知道,主动变形镜的实现是LAMOST成败的关键。

崔向群和苏定强一起,首次提出了一种新型的主动光学方法,即薄变形镜面和拼接镜面相结合的主动光学技术。这成为国际上继美国的拼接镜面主动光学和欧洲大口径超薄镜面主动光学之后的第三种主动光学技术。他们还在国际上首次成功地实现了六角形主动变形镜,以及在国际上首次在一个光学系统中成功地同时采用两块大口径的拼接镜面。

崔向群除主持整个项目的研制外,还作出了一系列重大决策,并亲自负责决策的执行。为验证和实现自主创新的曲面不断变化的主动反射面光学系统的设计方案,她带领项目组进行相关探索与试验,在南京建造了一块MA镜和一块MB镜的室外主动光学实验装置。这相当于1m口径的LAMOST,包括了光机电各个系统,因此被称为“小LAMOST”。

这个“小LAMOST”于2004年12月在南京通过验收和鉴定。这是国际上第一架采用主动光学技术的反射施密特望远镜,实验验证了中国创新的镜面曲面不断变化的光学系统,攻克了大口径薄镜面主动光学的关键技术。这一成果随后被成功应用于LAMOST,为实现拼接镜面主动光学技术和薄镜面主动光学技术迈出了决定性的一步。

LAMOST的另一项极为关键的技术是光纤定位系统,它要求把4000根光纤在较短的时间内精确对准各自的观测目标。为了解决这一难题,项目组征集了10余个光纤定位系统的方案。最终,中国科学技术大学提出的“分小区并行可控式光纤定位”方案被采用。

技术攻关完成后,工程决战随即打响。2004年6月,LAMOST观测楼在国家天文台兴隆观测基地开工建设。不到一年的时间,燕山深处,一座观测楼拔地而起。远远望去,这个洁白壮观的建筑在苍翠的山脉中显得格外耀眼。

2005年9月,LAMOST首件大型设备MA机架从南京天文光学技术研究所启运至兴隆观测站,顺利完成安装任务,各项指标均达到设计要求。接着,LAMOST项目全面进入现场安装调试阶段。

2006年,整个项目又顺利进入光机电联调阶段。

2007年5月28日凌晨3点,正在调试中的LAMOST喜获首条天体光谱。随着调试的进展,观测系统成功得到了120多条天体光谱。这标志着项目各个系统已全部调通,并达到了设计要求的技术指标。

初战告捷之后一年多时间里,LAMOST项目在小系统的基础上将两块大镜面的子镜数扩展至24块和37块,将光纤数扩展至4000根,将光谱仪数量扩展至16台。

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LAMOST主动反射改正镜,由24块1.1米六角形镜拼接

LAMOST胜利在望。

时任全国人大常委会副委员长的路甬祥获此消息后高兴地说,令我感到欣慰的是,这样一个在国际科学界都值得自豪的创新工程,是在一位女性科学家长达13年的艰苦投人和技术领导下,突破关键技术障碍所实现的,其中的创新、敬业、执着精神也堪称典范。

投向苍穹

LAMOST望远镜被冠名为“郭守敬望远镜”

 

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LAMOST望远镜


2008年10月16日。历经三代建设者的艰苦努力,国家重大科学工程——LAMOST终于全面建成。这一天,国家天文台兴隆观测基地迎来了40周年诞辰的纪念庆典。也在这一天,国家重大科学工程——LAMOST项目的落成典礼隆重举行。

苏定强、崔向群等天文学家和建设团队人员一早来到燕山顶上,他们要把自己的心血之作——LAMOST望远镜投向苍穹,献给祖国。遗憾的是,王绶琯因身体原因没能前来参加。

中国科学院常务副院长、LAMOST工程管委会主任白春礼,中国科学院院士、LAMOST发起人之一苏定强院士,LAMOST国际评估专家组组长理查德•艾利斯等国内外领导和嘉宾出席仪式并讲话。接着,白春礼、诺贝尔物理学奖获得者里卡多•贾可尼、苏定强、国家天文台台长严俊共同开启LAMOST圆顶。

LAMOST项目总工程师、国家天文台副台长、南京天光所所长崔向群为前来参加典礼活动的国际评估专家作了扼要讲解。

热情而响亮的声音回荡在燕山山脉,撞击着现场每一个人的心,他们为之激动着、兴奋着。

介绍结束后,领导与嘉宾参观了建成的LAMOST望远镜圆顶室和观测室,对正在运行中的LAMOST望远镜予以高度评价。LAMOST的技术顾问亚丁•梅内尔已经80多岁,不方便前来,特意嘱咐他的女儿代表他参加了落成典礼,还说,我要是年轻一点,一定会在兴隆与你们一起经历这架新概念望远镜建成的令人激动的时刻。主动光学之父雷•威尔逊因腿不方便没能参加落成典礼,他的夫人代他前来致辞。致辞中说,LAMOST涵盖了最先进的现代望远镜技术的每一个方面。前英国剑桥大学天文研究所所长,美国加州理工学院技术研究所天文学部教授理查德•埃利斯说,现在中国天文界在大视场光谱巡天方面占据了强有力的位置,国际天文同行很羡慕中国可以充分利用这些新的光谱巡天观测结果。

LAMOST望远镜的建成,不仅在国内外天文界引起强烈反响,也引起了广大天文爱好者的关注与热盼。考虑到科普工作的需要,国家天文台于2010年4月17日将LAMOST冠名为“郭守敬望远镜”。

时任中共中央政治局委员、国务委员刘延东出席了冠名仪式,并为“郭守敬望远镜”揭牌。她高度肯定了LAMOST已取得的成就,并指出把LAMOST望远镜命名为“郭守敬望远镜”,既是对我国古代天文学先贤的颂扬,也确立了LAMOST望远镜在当代的崇高地位,不仅可以使我们现代人和后人铭记中国古代天文研究史上曾经有过的辉煌,更能激励当代的天文科技工作者奋起直追,勇攀世界天文研究的高峰。

2011年10月,LAMOST启动先导巡天。2012年9月,LAMOST进入为期五年的正式巡天阶段。2015年3月,LAMOST向全世界公开发布首批巡天光谱数据,截止到2015年5月底,已经获取了575万条光谱数据,成为全世界光谱获取率最高的望远镜。

科学家利用LAMOST数据大样本的优势,取得的一些成果直接向传统理论发出了挑战,甚至颠覆了一些沿用多年的“权威理论”。例如,发现银河系盘星的新运动模式并非曾经普遍认为的简单圆周运动;利用LAMOST数据精确测量了太阳的本征速度,改正了之前低估近二分之一的速度。天文学家希望利用这些发现,对银河系进行更深入的研究。这一系列的研究成果彰显了LAMOST数据在天文科学研究中的价值和意义。

高光时刻

“LAMOST”成就新中国天文光学里程碑

 

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2012年,崔向群在第28届IAU大会开幕式上致辞


2012年8月,对于苏定强、崔向群两位院士来说,是他们人生中最为高光的时刻。国际天文学联合会第28届大会开幕式8月21日在北京国家会议中心开幕。这是中国首次承办联合会大会,不愧为国际天文学界更是中国天文学界的一件盛事。崔向群院士以中国天文学会理事长的身份在开幕式上致辞。苏定强院士作为国内外著名天文学家在开幕式上作学术报告。

更让他俩和参会者们倍感荣幸与兴奋的是,时任国家副主席习近平出席开幕式,并发表热情洋溢的致辞。致辞中,习近平特别指出,中华人民共和国成立以来、特别是改革开放以来,中国科学院建成了完整的现代化天文台站运行体系,继建成世界上光谱获取率最高的大视场光谱巡天望远镜之后,目前正在建设五百米口径射电望远镜,并在空间天文和南极天文等重要前沿研究领域取得重要进展。

这里讲到的“大视场光谱巡天望远镜”,简称“LAMOST”,就是苏定强、崔向群在天文学领域中取得的重要成果之一,也是新中国天文光学事业中两个里程碑之一。

而新中国天文光学事业中的两个里程碑——2.16m望远镜和大视场光谱巡天望远镜,苏定强和崔向群是主要的研制者和参与者,他们见证了新中国天文望远镜研制的创业与发展历程,同时也在继续创造和见证着新的奇迹。

2023年3月31日,中科院国家天文台发布“郭守敬望远镜”LAMOST数据集。该数据集包含2229万余条光谱数据,是目前国际上其他巡天望远镜发布光谱数之和的2.9倍。至此,LAMOST成为世界上首个发布光谱数突破2200万条光谱数据的巡天项目。在全球25个主要地面光学望远镜的科学产出中排名中,LAMOST位列第四,在全球10个口径6m以上的中大型望远镜中科学产出排名中,LAMOST位列第三。用LAMOST的光谱数据发表的文章中,国外天文学家越来越多,占比已经接近一半。天文学家利用LAMOST数据在前沿领域取得了一系列有影响力的研究成果。

在银河系结构与演化方面,利用LAMOST数据大样本优势给银河系“重新画像”,银盘半径大小两次被刷新,从增大25%,到增大到一倍,使天文学家重新审视星系形成及宇宙演化的一般规律;利用LAMOST数据对太阳附近的暗物质密度进行了重新估算。这对寻找暗物质粒子、理解暗物质在银河系中分布具有重要意义。

在恒星物理研究方面,精确估算了上百万颗恒星的年龄,使具有精确年龄的恒星样本增加了一千倍,为银河系演化研究提供了基础数据;首次测量了近700颗系外行星的轨道偏心率和倾角。发现约八成的行星轨道都如同太阳系的近圆形轨道。表明太阳系在宇宙中并不是一个特例而是具有一定代表性的。在某种程度上增强了人类寻找另一个地球和地外生命的信心。

在特殊天体搜寻方面,发现了万余颗金属含量低于太阳百分之一乃至万分之一的贫金属星,构建了世界上最大的、适合现有大望远镜跟踪观测的宇宙化石样本。同时,发现了一批极其稀有的、锂元素丰度超过正常值上百倍的小质量贫金属星,对其结构和演化提供全新的理论研究视角。

在捕获来自遥远宇宙信息方面,截至2023年,LAMOST类星体巡天成为世界上发现类星体数目第二的巡天项目,仅次于美国斯隆数字巡天(SDSS),已超过澳大利亚两度视场巡天(2dF),为研究类星体光谱变化、发现特殊类星体等研究工作提供了丰富的光谱数据。

如此多的成果,让崔向群兴奋不已。每次成果发布,她的第一反应是,要把这些好消息立即告诉苏定强。在电话中,苏定强总是以非常和平的口吻对她说,这些消息固然令人高兴,但这样的好消息,或者说更大的好消息,一定会随着时间的推移越来越多。

崔向群知道,苏定强的话语中蕴含着自豪与自信。这时,她透过办公室的玻璃窗,看着紫金山上的那座熟悉的天文观测台的穹顶,似乎也看到兴隆观测站LAMOST的穹顶……

高远的太空,永远的追求。这几年,崔向群往返于南京与北京之间,确切地说,她往返于两地天文观测站之间,继续着她钟爱一生、奉献一生的天文事业,让更多的“巡天之眼”挺立大地、傲视苍穹,造福于人民,贡献于人类。

文|章剑华

编辑|冯秋红

图片由受访者提供

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