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张同杰:所系所念皆星河

张同杰,1968年生,山东夏津县人,北京师范大学天文系教授、博士生导师。他带领研究团队提出一种新方法,利用射电辐射穿过星系际间中性氢云时产生的21厘米吸收线,直接测量宇宙膨胀加速度。通过使用“天河二号”超级计算机,对宇宙中微子和暗物质进行数值模拟,呈现宇宙约137亿年间的漫长演化进程。

“我是谁,我从哪里来,要到哪里去?”从古至今,人们对这一“终极问题”的哲学思考和科学探索,从未停止。

北京师范大学天文系教授张同杰就是这一答案的追寻者。宇宙是怎么来的?经历了怎样的变化?宇宙还隐藏着多少秘密?探索这些无比遥远的事,就是他的日常工作。

“对宇宙的好奇心,是人类的本能”

“宇宙起源的理论虽然很多,但学界公认的只有宇宙大爆炸理论。其实,科学家们倒是希望出现一点特别情况,那意味着重大的新认识,比如最近的哈勃常数危机问题……”张同杰打开了话匣子。与很多科学家一样,张同杰的研究也是由兴趣驱动,他说:“对宇宙的好奇心,是人类的本能。”

出生于山东农村的张同杰,由于条件所限,没有机会读高中,只上了一个中专——山东省平原师范学校。张同杰成绩优异,被推荐参加高考,然后考入山东德州师专(现德州学院)物理系,之后又考入山东省教育学院(现齐鲁师范学院)物理本科专业。

张同杰小时候数学成绩特别好,老师也常常鼓励他。“那时我的理想是成为数学家。”张同杰说,后来他发现自己对物理更感兴趣,尤其是天体物理。他经常听收音机里的科普节目,也常在报刊上学习天文学相关知识,“报刊上介绍黑洞的文章,深深地吸引了我。”1993年,他考取了中科院上海天文台天体物理专业的研究生,走上探索宇宙之路。

目前,张同杰带领团队在4个方向上展开研究,其中既有主流的标准宇宙学理论研究和观测,也有比较“冷门”的地外文明探索。

宇宙学研究非常依赖观测,对技术设备的要求非常高。在张同杰身上,就有一种能迅速抓住前沿方向、利用最新技术手段的敏感。

天文学家一直在寻找测量宇宙膨胀加速度的更好方法。理论预言,宇宙膨胀加速度变量极其微小——相当于在一年的时间内,增加了蚂蚁爬行的速度。这需要极高的观测精度。大约10年前,张同杰带领博士生于浩然(现厦门大学天文学系副教授)与一个国外的宇宙学研究团队合作,基于红移拖坠原理,提出了第一个宇宙加速膨胀的直接测量方法。

但是,这一方法需要用分辨率非常高的射电望远镜对目标类星体连续观测5—10年才能得出结果。“中国天眼”(FAST)建成后,张同杰立即开展了FAST首个中性氢21厘米吸收线的宇宙加速度观测。

宇宙演化模拟也是张同杰投入精力比较多的研究方向。早在2013年,张同杰就和于浩然用3万亿个粒子,模拟宇宙中微子、暗物质的分布和演化,还原了约137亿年的宇宙漫长演化进程。

“模拟的粒子数越多,就好比摄像机的分辨率越高,‘还原’的宇宙演化史‘视频’就越清晰。”2013年“天河二号”建成,团队很快跟“天河二号”设计者取得联系,完成了数值模拟,那也是当时世界上粒子数最多的N体数值模拟。

“超级计算机一般是五年一代,其算力第一的地位只能维持五六年时间,我们一定要抓住这样的窗口期,力争推动中国天文学研究领先世界。”张同杰说,他们团队仍在不断调整方向、优化算法,为下一次“上机”做准备。

“严谨的治学态度、科学的治学方法,是我求学时最大的收获”

在张同杰的每个成长阶段中,老师的教诲都对他影响至深。“在德州师专读书时,贺金玉老师的鼓励,让我对人生目标有了清晰规划。读研时,宋国玄和沈有根两位导师对我影响也很大。严谨的治学态度、科学的治学方法,是我求学时最大的收获。”张同杰说。

或许是接连得遇良师,让张同杰对教学产生了极大的热情。博士毕业后,张同杰进入北京师范大学任教,在做好研究的同时,全身心投入教学工作。

在学生陈杰峰看来,张老师很喜欢带“新人”。研究团队一般以硕士生、博士生为主,“张老师的课题组却吸收了不少本科生,这让很多学生在本科期间就有机会做出成果,对将来选择研究方向大有裨益。”张同杰擅长观察学生特长,据此帮助学生确定研究方向,同时充分尊重学生的兴趣。

“我对使用人工神经网络算法限制哈勃参数很感兴趣,所以张老师只要一看到这个领域的相关资料、论文,就会发给我。”陈杰峰说。

硕士生陆昌智感受最深的则是张同杰的治学态度,“张老师教学时能清晰地抓住问题主干,提问则特别仔细,不会放过任何细节,用一连串深刻的发问直指本质……”

张同杰的研究团队每周都会举行一次集体讨论会。学生有好的想法可以随时跟张同杰沟通。“但张老师更鼓励大家独立思考,有问题要先尝试自己解决。”博士生陶振钊说。

在团队成员眼里,张同杰似乎没什么业余生活,一年中,可能只有春节才会休息几天。学生们常常看见他骑着自行车在校园里匆匆而过,吃饭也是“对付一口”。即便是早上6点或者半夜12点以后,学生把研究进展发给他,他也是“秒回”。

“不能因为可能没有结果,就不去做,科研的过程和结果同样重要”

地外文明信号射电搜寻是张同杰团队的另一个研究方向。在一些人看来,这或许是科幻爱好者的异想天开,但这其实是一个非常严肃的科学问题。

射电望远镜一直是探索地外文明的主要工具,也是FAST的五大主要科学目标之一。早在2018年,FAST就安装并调试了专门用于地外文明搜索的后端设备。

耗时漫长,希望渺茫,常常遭遇质疑,所以很多望远镜管理机构都不会给地外文明探索分配太多的观测时间。在这样的情况下,愿意做地外文明探索研究的学者很少,但张同杰认为这个研究方向非常重要,而且FAST在这方面有着得天独厚的优势。

“若真有地外文明信号穿越漫长时空而来,FAST无疑是最有希望发现这些信号的射电望远镜。”张同杰为此做了很多准备,在FAST建设期间,他就经常与国外同行交流探讨,做一些前期准备工作。“不能因为希望渺茫,就认为没价值。不能因为可能没有结果,就不去做,科研的过程和结果同样重要。”张同杰认为。

张同杰介绍,目前地外文明搜索的主要困难在于“信号难分辨”,“即使看见了,也不一定能认出来”,因此需要不断优化算法。大部分“信号”都是干扰项,可能是仪器的噪声、飞行器的信号等,这些都需要通过后续研究一一排除。“这正是课题组的主要工作之一,我们正在努力。”张同杰说。

■记者手记

仰望星空 脚踏实地

“不能因为可能没有结果,就不去做”。采访中,张同杰的这句话令人印象深刻。在他平实的话语中,似乎这只是再寻常不过的道理,但要做到这一点,需要极大的勇气。

敏锐的眼光、严谨的态度、坚韧的意志,这些是优秀科学家必备的品质。追求科学真理,就是要一步一步地向着未知的科学高峰攀登。哪怕“道阻且长”,甚至终其一生都难以到达,但欣赏沿途的风景也是一种收获。哪怕研究方向是错误的,也并非毫无意义,因为至少为后来者排除了一个错误的方向,让他们更容易接近科学真理。

仰望星空,脚踏实地;不浮躁冒进,也不错失良机。正是有了像张同杰一样的科学家的接力前行,才一点一点为我们拓展了对宇宙的认知。

《 人民日报 》( 2022年07月22日 第 06 版)

编辑:韬
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