星空下的仰望者
——記南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院副教授劉慧根

汲曉奇

劉慧根

10月8日，瑞典皇家科學(xué)院將2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予詹姆斯·皮布爾斯、米歇爾·麥耶以及迪迪埃·奎洛茲，以表彰他們?cè)谌祟惱斫庥钪嫜莼泛偷厍蛟谟钪嬷兴幬恢枚龅呢暙I(xiàn)。其中，麥耶和奎洛茲的獲獎(jiǎng)原因是他們?cè)?995年發(fā)現(xiàn)首顆圍繞類日恒星運(yùn)行的系外行星，即51Pegasi b。面對(duì)浩瀚的宇宙，人類曾有過無數(shù)次遐想，但他們二人的發(fā)現(xiàn)顛覆了我們對(duì)太陽(yáng)系外的行星世界的固有看法，并引發(fā)了天文學(xué)歷史上的革命。

迄今為止，人類所發(fā)現(xiàn)的4000多顆系外行星千奇百怪，令人難以置信。“很多系外行星的情況與我們所在的太陽(yáng)系大相徑庭，比如，51Pegasi b，它的公轉(zhuǎn)周期只有5天，但是這顆行星的大小又和木星相當(dāng)，這種行星在太陽(yáng)系里是很難想象的。系外行星的多樣性對(duì)基于太陽(yáng)系的行星形成和行星演化理論構(gòu)成了一定挑戰(zhàn)。”南京大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“南大”）天文與空間科學(xué)學(xué)院副教授劉慧根在采訪中解釋說。

多年來，劉慧根一直致力于系外行星領(lǐng)域的研究，探索著璀璨星空的奧妙，樂此不疲。正如哲學(xué)家黑格爾所言，一個(gè)民族要有一群仰望星空的人，民族才有希望。“80后”劉慧根就是那群仰望星空、不斷探索未知的天文學(xué)家之一。投身科研以來，他始終秉持著探索、創(chuàng)新的科研精神，希望可以借助南大這個(gè)優(yōu)質(zhì)平臺(tái)，通過一次次的天體觀測(cè)，逐漸揭開系外行星的神秘面紗，為中國(guó)天文學(xué)的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的一分力量。

結(jié)緣天文學(xué) 鑄就科研路

高考，兩個(gè)簡(jiǎn)單的字卻構(gòu)成一個(gè)神圣而又令人敬畏的詞語(yǔ)。它既承載了萬(wàn)千學(xué)子的大學(xué)夢(mèng)想，又承載了萬(wàn)千父母的殷切希望，更承擔(dān)了為國(guó)家選拔人才的重任，可以說是人生中一個(gè)重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。對(duì)于劉慧根來講正是如此，“我的天文學(xué)生涯其實(shí)就是從進(jìn)入南大之后開始的，其中最關(guān)鍵的選擇節(jié)點(diǎn)就是高考時(shí)填志愿”。正是高考為他開啟了一扇科學(xué)探索的大門，讓他有機(jī)會(huì)接觸并了解天文學(xué)，逐步走上科研之路，成長(zhǎng)為一名年輕的天文學(xué)家。

當(dāng)時(shí)正值2002年，互聯(lián)網(wǎng)雖已有一定的發(fā)展，但遠(yuǎn)沒有現(xiàn)在這么便捷，劉慧根對(duì)天文學(xué)也只是一知半解——“對(duì)天文學(xué)的認(rèn)識(shí)也就是停留在看天上的星星”。通過班主任的介紹，劉慧根覺得南大不錯(cuò)，特別是該校的天文系在全國(guó)排名第一，而天文系對(duì)本科生的要求是要有扎實(shí)的物理和數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)。這對(duì)于數(shù)學(xué)和物理成績(jī)都很不錯(cuò)的劉慧根來說，非常具有吸引力。“我當(dāng)時(shí)就希望能夠繼續(xù)學(xué)習(xí)與數(shù)學(xué)、物理相關(guān)的一些專業(yè)，這樣看來選擇報(bào)考天文系也是一種冥冥之中天注定的感覺。”在談及選擇天文學(xué)專業(yè)的原因時(shí)，劉慧根爽朗地回答道。

南大天文學(xué)系（現(xiàn)為天文與空間科學(xué)學(xué)院）創(chuàng)建于1952年，是中國(guó)高校中歷史最悠久、培養(yǎng)人才最多的天文學(xué)專業(yè)院系，被譽(yù)為“中國(guó)天文學(xué)頂尖人才的搖籃”，擁有目前國(guó)內(nèi)唯一的天文學(xué)一級(jí)重點(diǎn)學(xué)科。該學(xué)科素以專業(yè)設(shè)置齊全、學(xué)歷層次完備、師資力量雄厚、治學(xué)態(tài)度嚴(yán)謹(jǐn)而享有盛譽(yù)，在歷次學(xué)科評(píng)估中位居國(guó)內(nèi)高校天文學(xué)專業(yè)第一。劉慧根就是在這所學(xué)術(shù)氛圍濃郁的大學(xué)中與天文學(xué)結(jié)下了不解之緣。

“南大天文學(xué)系所涉獵的方向是最廣的，覆蓋的范圍是最全的，包括從天體力學(xué)天體測(cè)量，到太陽(yáng)系的行星、星系，以及宇宙學(xué)，這些領(lǐng)域都有老師在做相應(yīng)的研究。我最大的感受就是，在這里學(xué)天文，你能接觸到天文學(xué)的各個(gè)方向。”本科階段的學(xué)習(xí)讓年輕的劉慧根大開眼界，讓他意識(shí)到天文學(xué)所包含的內(nèi)容是如此豐富，不僅涉及人類熟悉的地球、太陽(yáng)系，更關(guān)系著銀河系、系外星系，乃至整個(gè)宇宙的起源與演化。天文學(xué)本身異常豐富的內(nèi)涵以及學(xué)識(shí)淵博的老師們深入淺出講解，使劉慧根逐漸萌生出對(duì)天文學(xué)強(qiáng)烈的興趣，并立志走上了科研之路。

大四時(shí)，劉慧根的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題就與系外行星有一定的關(guān)系，他跟隨周濟(jì)林老師做一些與系外行星相關(guān)的動(dòng)力學(xué)方面的研究。“2006年時(shí)該領(lǐng)域的研究還比較少，這就給我們很多展示的空間，我們可以有自己的猜測(cè)和理解。”劉慧根謙虛地說道。那時(shí)他對(duì)將于2009年發(fā)射的開普勒望遠(yuǎn)鏡已略有耳聞，尤其是被其“尋找類地行星和生命存在的跡象”的神圣使命深深吸引，也想去繼續(xù)探索這一類的科學(xué)問題。同時(shí)如果開普勒望遠(yuǎn)鏡成功發(fā)射的話，那就意味著將會(huì)帶來更多有關(guān)系外行星的觀測(cè)數(shù)據(jù)。因此無論從理論還是觀測(cè)上，選擇系外行星方向的研究對(duì)劉慧根來講都是一個(gè)機(jī)遇。

機(jī)遇總是留給有準(zhǔn)備的人。一直勤奮好學(xué)的劉慧根在順利獲得保送研究生的資格后，便將系外行星選為科研方向，師從周濟(jì)林教授，開始了5年的碩博連讀。“系外行星有很多地方和太陽(yáng)系不一樣，非常讓人充滿遐想。隨著系外行星的不斷發(fā)現(xiàn)，證明了此前以太陽(yáng)系為模板的行星系統(tǒng)建立理論并不一定是普適的，這就引發(fā)了我們的更多思考。”在解決一個(gè)問題的過程中，往往會(huì)遇到更多新的問題，而當(dāng)你不斷想去解決新問題時(shí)，又會(huì)提出更多、更新的問題，這不正是科研的魅力所在嗎？正是在強(qiáng)烈求知欲和探索欲的驅(qū)動(dòng)下，劉慧根一直奔跑在科研的大路上，在探索的同時(shí)收獲著快樂。

探索宇宙奧秘 體味科研樂趣

作為一門古老的科學(xué)，自有人類文明史以來，天文學(xué)就占據(jù)著重要的地位，它遵循著觀測(cè)—理論—觀測(cè)的發(fā)展途徑，不斷把人的視野伸展到宇宙新的深處。古代的天文學(xué)家通過觀測(cè)太陽(yáng)、月球和其他一些天體及天象，確定了時(shí)間、方向和歷法；哥白尼的日心說曾使自然科學(xué)從神學(xué)中解放出來；康德和拉普拉斯關(guān)于太陽(yáng)系起源的星云說，在18世紀(jì)形而上學(xué)的自然觀上打開了第一個(gè)缺口……可以說，對(duì)人類文明起重要作用的事件都和天文研究有著密切的聯(lián)系。

“我覺得天文學(xué)對(duì)于人類建立宇宙觀、價(jià)值觀，包括重新認(rèn)識(shí)人類社會(huì)，認(rèn)識(shí)地球都有很大的益處。尤其是現(xiàn)在，我們提倡‘人類命運(yùn)共同體’，當(dāng)你看過茫茫宇宙之后，再回過頭來看地球，看我們生活的家園時(shí)，你可能會(huì)有不一樣的體會(huì)。”懷著對(duì)天文學(xué)的無比熱愛，博士畢業(yè)后，劉慧根加入了母校，成為一名科研工作者，開啟了人生的新征程。

想要研究天文學(xué)，理論與觀測(cè)一個(gè)也不能少。在學(xué)生時(shí)代側(cè)重于理論學(xué)習(xí)的劉慧根，如今有了更多觀測(cè)的機(jī)會(huì)。“理論和觀測(cè)其實(shí)是相輔相成的。雖然在觀測(cè)時(shí)會(huì)有很多重復(fù)性的工作，但正所謂‘不積跬步無以至千里’，科學(xué)發(fā)現(xiàn)就是一點(diǎn)一點(diǎn)逐漸積累下來的。而且在觀測(cè)和分析的過程中，不斷會(huì)有其他的新東西出來，這種正反饋的存在，不僅能緩解消極的情緒，更能帶來源源不斷的動(dòng)力。”懂得科研真諦的劉慧根總能在外行人看來枯燥單調(diào)的重復(fù)觀測(cè)和計(jì)算中，找到科研的樂趣，獲取新的發(fā)現(xiàn)。

尤其是南大作為一所兼有文、理、工科的綜合院校，不僅學(xué)術(shù)氛圍濃厚，還常常會(huì)舉辦各種學(xué)科的講座，非常有利于研究的展開。“真正做觀測(cè)時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，想要去解釋觀測(cè)問題時(shí)，需要的背景知識(shí)可能不光只是天文學(xué)，還有其他學(xué)科的背景，這樣更容易產(chǎn)生一些新的想法，換句話說就是需要學(xué)科交叉。而南大的很多學(xué)科比如說地學(xué)、大氣學(xué)等，在全國(guó)高校的專業(yè)排名也很靠前。在南大我很容易跟這些學(xué)科的學(xué)者溝通交流，或者聽他們的學(xué)術(shù)報(bào)告，這對(duì)我在天文或系外行星方向上的研究很有幫助。”從劉慧根的言語(yǔ)中，不難感受到他對(duì)母校南大的感恩之情，和那份身為南大人的驕傲與自信。

借助南大這一優(yōu)質(zhì)平臺(tái)，劉慧根先后參加了國(guó)家自然科學(xué)基金面重點(diǎn)項(xiàng)目“行星系統(tǒng)觀測(cè)分析與軌道構(gòu)型的形成”、國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際（地區(qū)）合作與交流項(xiàng)目“近鄰紅矮星周圍行星形成機(jī)制和大氣研究”，主持了國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目“南極天區(qū)短周期行星搜尋與短周期行星特征研究”。此外，劉慧根主持的國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“利用天體測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)行星系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和動(dòng)力學(xué)分析研究”也已通過評(píng)選，即將于2020年開展研究。

在該項(xiàng)目中，他及其團(tuán)隊(duì)將基于Gaia數(shù)據(jù)，并結(jié)合TESS巡天，LAMOST等多個(gè)項(xiàng)目的最新數(shù)據(jù)，對(duì)系外行星進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和動(dòng)力學(xué)特征刻畫。“系外行星參數(shù)的精度依賴恒星參數(shù)精度，因此恒星參數(shù)的確定對(duì)系外行星研究至關(guān)重要。這次我們將利用更準(zhǔn)確的恒星、行星參數(shù)，以及長(zhǎng)時(shí)間尺度的掩星中心時(shí)刻變化，來分析行星系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特征，期望能獲得行星系統(tǒng)更準(zhǔn)確的參數(shù)，從而給出太陽(yáng)系近鄰的行星系統(tǒng)完備的軌道參數(shù)，揭示行星系統(tǒng)的長(zhǎng)期動(dòng)力學(xué)特征。同時(shí)，我們還將研究在大尺度結(jié)構(gòu)下，不同環(huán)境對(duì)行星系統(tǒng)的影響，從而揭示行星形成和演化的普遍規(guī)律。”劉慧根詳細(xì)地解釋道。

據(jù)了解，行星形成是隨著恒星形成同時(shí)進(jìn)行的，行星在早期原行星盤中的形成受很多因素影響，除了主星本身的質(zhì)量和金屬豐度等因素外，周圍的環(huán)境如輻射環(huán)境、動(dòng)力學(xué)環(huán)境等也會(huì)對(duì)行星形成和演化產(chǎn)生重要影響。如何確定行星的環(huán)境一直以來都是一個(gè)難點(diǎn)。天體測(cè)量衛(wèi)星——Gaia衛(wèi)星的發(fā)射，開啟了高精度天體測(cè)量的新紀(jì)元。作為迄今建造的最精確的光學(xué)天文衛(wèi)星，Gaia衛(wèi)星自2013年12月成功發(fā)射升空以來，已為天文學(xué)界傳送回了關(guān)于銀河系中數(shù)百萬(wàn)恒星的位置和運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確信息。可以預(yù)見，未來的5年內(nèi)，利用Gaia數(shù)據(jù)進(jìn)行系外行星的統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)近鄰行星系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)研究將成為系外行星研究的熱點(diǎn)。

精心育人才 促學(xué)科發(fā)展

科技是第一生產(chǎn)力，而科研人才更是科技發(fā)展中最核心的力量。作為一名高校教師，劉慧根肩負(fù)著教書育人的神圣使命，他希望能讓學(xué)生們清醒地認(rèn)識(shí)到——“天賦對(duì)于大部分人而言，并不是最重要的。因?yàn)橐粋€(gè)人只要足夠努力，也能取得很不錯(cuò)的成績(jī)。在學(xué)習(xí)和科研過程中，更重要的還是人的主觀能動(dòng)性。”

“從事科學(xué)研究首先要有質(zhì)疑精神，更要勤奮，做到堅(jiān)持不懈。科學(xué)研究是一個(gè)長(zhǎng)期堅(jiān)持的過程，就像2019年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的皮布爾斯，他從20世紀(jì)60年代初期就開始去構(gòu)建有關(guān)宇宙大爆炸的理論，2019年獲獎(jiǎng)時(shí)已經(jīng)84歲了。當(dāng)然了，一個(gè)健康的身體是前提條件，就像2019年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的獲得者——97歲的古迪納夫。”采訪中，劉慧根坦言道。

劉慧根

如同一年有四季，在人生不同的階段也會(huì)有不同的需求，求學(xué)方面亦是如此。在劉慧根看來，讀大學(xué)時(shí)，學(xué)生們開始有機(jī)會(huì)接觸一些前沿性的理論，可能也會(huì)開展一些科研訓(xùn)練，這時(shí)要培養(yǎng)他們敢于質(zhì)疑的科研精神；在研究生階段，希望他們將來能成為一名具有創(chuàng)新性的人才，就需要培養(yǎng)他們獨(dú)立思考問題的能力。“導(dǎo)師的重要職責(zé)就是要能給學(xué)生指出一個(gè)科研方向，接下來就放手，讓學(xué)生自己去探索、去思考、去解決問題。當(dāng)遇到瓶頸時(shí)，導(dǎo)師則要為學(xué)生們指明一些方向，使他們能少走一些彎路。”殷切希望學(xué)生能早日成才的劉慧根，正用這種教學(xué)理念引導(dǎo)著學(xué)生們?cè)诳蒲新飞洗蟛叫羞M(jìn)。

此外，劉慧根還強(qiáng)調(diào)在科研上也要避免“只見樹木，不見森林”，要學(xué)會(huì)全面宏觀地看問題。“這個(gè)跟現(xiàn)在提倡的通識(shí)教育有點(diǎn)異曲同工。學(xué)生不僅要對(duì)自己的研究方向勤于鉆研、有所建樹，還應(yīng)當(dāng)對(duì)所學(xué)領(lǐng)域有一個(gè)宏觀的認(rèn)識(shí)，在各個(gè)方向上都有所涉獵，具備該領(lǐng)域不同科研方向的一些基本認(rèn)識(shí)。為未來的發(fā)展提供一個(gè)更廣闊的選擇空間，才能在選擇時(shí)做到游刃有余。”劉慧根解釋道。的確，天文學(xué)研究與高精尖的觀測(cè)設(shè)備密不可分，一旦有新的技術(shù)、設(shè)備產(chǎn)生，例如，LIGO探測(cè)到引力波，就會(huì)引出新的科研方向。如果有堅(jiān)實(shí)而博大的知識(shí)做基礎(chǔ)，就能更快地投入新方向的研究。

遼闊而深邃的星空，蘊(yùn)含著無窮的真理。千百年來，璀璨的星光一直啟迪著人類的智慧。在科技快速發(fā)展的今天，天文學(xué)家們將有機(jī)會(huì)破解更多的星空奧秘，這是他們的幸運(yùn)，更是他們的使命。身處中國(guó)研究系外行星最大的團(tuán)組之中，劉慧根將和其他隊(duì)員一同借助南大這一優(yōu)秀科研平臺(tái)，通過學(xué)科間的交流碰撞產(chǎn)生出更多新想法，結(jié)合國(guó)內(nèi)空間科學(xué)的快速發(fā)展，共同助力中國(guó)天文學(xué)，在系外行星領(lǐng)域取得更多、更有影響力的科研成果。