專訪林潮：抓住系外行星研究的 “黃金時(shí)代”
人類在尋找宜居星球過程中面臨哪些挑戰(zhàn)？| 圖源：pixabay.com
撰文、翻譯 | 辛玲
審校 | 王一葦
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《國家科學(xué)評(píng)論》：最新的美國天文界 “十年規(guī)劃” 將系外行星研究列為重中之重。為什么選擇這個(gè)時(shí)間點(diǎn)？
林潮：經(jīng)過三十年的迅速成長(zhǎng)，系外行星探測(cè)正處于蓬勃發(fā)展階段。首先，技術(shù)的發(fā)展為我們提供了重大機(jī)遇。地面望遠(yuǎn)鏡首次探測(cè)到系外行星后，我們開始建設(shè)相應(yīng)的空間探測(cè)器，包括開普勒太空望遠(yuǎn)鏡（Kepler Space Telescope）和凌日系外行星測(cè)量衛(wèi)星（Transiting Exoplanet Survey Satellite，TESS）。這些設(shè)備發(fā)射后需要幾年調(diào)試才能全面運(yùn)轉(zhuǎn)。二是系外行星研究的隊(duì)伍已經(jīng)建立起來了。這個(gè)課題在三十年前還是冷門，大家不知道這個(gè)方向會(huì)不會(huì)有前途。現(xiàn)在這支隊(duì)伍已經(jīng)壯大。第三，我們對(duì)下一步要做哪些事已經(jīng)深思熟慮，主要科學(xué)問題已經(jīng)非常明確，如生命起源和地外生命搜尋等。把地面望遠(yuǎn)鏡和空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)合起來，我們很有希望通過跨學(xué)科研究來初步回答這些問題。
《國家科學(xué)評(píng)論》：人類最初形成 “其他星球” 的概念時(shí)，是否受到 “我們?cè)谟钪嬷惺枪陋?dú)的嗎” 這個(gè)問題的驅(qū)使？
林潮：這個(gè)問題里的 “我們” 可以指太陽系，也可以指生命。其實(shí)早在兩千多年前人類就有了多個(gè)行星系統(tǒng)共同存在的思想，先驅(qū)包括中國詩人屈原和希臘哲學(xué)家伊壁鳩魯。到了二百多年前，法國數(shù)學(xué)家拉普拉斯第一次建立了行星形成的定量模型。拉普拉斯提出，我們太陽系的行星是由圍繞太陽運(yùn)行的圓盤狀物質(zhì)聚合而成的。當(dāng)然理論家們后來也提出了一些不同的行星形成和演化理論。
到了上世紀(jì)70年代，人類終于有能力發(fā)送航天器去對(duì)太陽系的其他行星進(jìn)行成像。我們看到這些行星的結(jié)構(gòu)與地球大不相同。90年代初又發(fā)射了紅外波段的航天器，去探測(cè)年輕恒星周圍的原行星盤。到了這時(shí)我們終于可以檢驗(yàn)拉普拉斯的設(shè)想是否正確了?？墒菍?duì)系外行星的搜尋非常艱難，科學(xué)家們經(jīng)歷了多次失敗和空歡喜，有好幾次都快放棄了。記得1994年我到夏威夷去參加一個(gè)關(guān)于行星系統(tǒng)形成、演化和探測(cè)的會(huì)議。幾個(gè)一直在按部就班尋找類木行星的研究者共同得出了一個(gè)令人失望的結(jié)論，即這種行星可能非常罕見，也很難找到。
《國家科學(xué)評(píng)論》：您是怎樣進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域的？
林潮：純屬巧合。七十年代中期我在英國劍橋大學(xué)讀博士。當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)了一些雙星能發(fā)射強(qiáng)烈的X射線，大家推測(cè)是一個(gè)中子星或黑洞在從它的恒星伴星吸取氣體。我就用吸積盤模型來研究這些雙星，用計(jì)算機(jī)模擬兩者之間的質(zhì)量轉(zhuǎn)移。
有一次凌晨4點(diǎn)在學(xué)校機(jī)房工作時(shí)，我向程序輸錯(cuò)了一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。本打算在伴星質(zhì)量處輸入相當(dāng)于太陽質(zhì)量幾分之一的值，實(shí)際上卻輸入了相當(dāng)于木星質(zhì)量的值（譯者注：木星質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的千分之一）。第二天我去拿模擬結(jié)果的時(shí)候吃了一驚，呈現(xiàn)在我眼前的是一個(gè)美麗的螺旋圖案，這是我完全沒有預(yù)料到的。
我和同事進(jìn)行了后續(xù)分析，認(rèn)為那個(gè)螺旋圖案實(shí)際表明木星和行星盤之間存在著強(qiáng)烈的潮汐作用。這種作用可能導(dǎo)致木星軌道的變化。所以在1994年的會(huì)上，我說“類似木星的行星其實(shí)并不少，只是他們形成后，可能其中一部分——或者大多數(shù)——跑了宿主恒星里面?！?大家都覺得這個(gè)想法很瘋狂。
《國家科學(xué)評(píng)論》：但那次會(huì)議之后不久就發(fā)現(xiàn)了 “飛馬座51b”。這是人類發(fā)現(xiàn)的第一顆圍繞類似太陽的恒星運(yùn)轉(zhuǎn)的系外行星。飛馬座51b最讓你驚訝的是哪一點(diǎn)？
林潮：具有諷刺意味的是，大約就在夏威夷會(huì)議的同時(shí)，兩位瑞士天文學(xué)家在法國上普羅旺斯天文臺(tái)發(fā)現(xiàn)了飛馬座51b。這一發(fā)現(xiàn)很快得到加州天文學(xué)家們的證實(shí)。幾乎所有人（包括發(fā)現(xiàn)者）都大吃一驚，因?yàn)槟拘抢@太陽轉(zhuǎn)一圈大概要12年，而這顆行星繞著它的主恒星轉(zhuǎn)一圈只要4天。這種差異意味著飛馬座51b和它主星的距離大概只有木星和太陽距離的百分之一。在如此近的范圍內(nèi)很難按照常規(guī)模型去形成一顆行星。
我和同事早就預(yù)測(cè)到嬰兒期的行星會(huì)從它們出生的行星盤中遷移出來，但我沒想到它們到了恒星附近會(huì)停下來。聽說了飛馬座51b的情況后，我立即著手研究行星在宿主恒星附近如何實(shí)現(xiàn)定位和停留。短短幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，我就提出了一個(gè)創(chuàng)新的想法：當(dāng)行星進(jìn)入行星盤的中央空腔時(shí)，由于受到宿主恒星產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)的影響，它們的遷移可能停止。我還提出，當(dāng)恒星和行星非常接近時(shí)，他們之間的潮汐力也可能阻止行星繼續(xù)遷移。后來還有一些別的理論來解釋為什么行星會(huì)停在恒星附近，但我的解釋被廣泛認(rèn)為是最可能的原因，尤其是對(duì)多行星系統(tǒng)而言。
《國家科學(xué)評(píng)論》：最早的一批系外行星發(fā)現(xiàn)后，給我們的思維范式帶來哪些變化？
林潮：首先，我們認(rèn)識(shí)到行星存在的普遍性和多樣性?，F(xiàn)在我們了解到，幾乎每顆恒星周圍都存在行星，行星的形態(tài)多種多樣，不拘一格。
第二是行星在從嬰兒期到其宿主恒星消亡的整個(gè)生命周期中具有驚人的流動(dòng)性。系外行星在多種作用力的影響下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離遷移，這有助于我們進(jìn)一步研究動(dòng)態(tài)平衡和演變問題。行星的流動(dòng)性和多樣性對(duì)生命起源和生物進(jìn)化也有很多潛在影響，行星本身物理狀態(tài)的轉(zhuǎn)變可能是基因突變和自然選擇的驅(qū)動(dòng)力之一。盡管地球表面條件的變化曾經(jīng)導(dǎo)致生物大爆發(fā)、大滅絕等的事件發(fā)生，但跟那些行星漂來漂去、并常有強(qiáng)烈碰撞的系統(tǒng)相比，我們的環(huán)境變化是很小的。在一個(gè)系統(tǒng)里，生命出現(xiàn)、繁榮、消亡和幸存的概率是多少？我們還沒有答案，但對(duì)系外行星運(yùn)動(dòng)學(xué)和結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)將幫助我們打開思路，尋找可能的答案。
《國家科學(xué)評(píng)論》：到目前為止，大約一共發(fā)現(xiàn)了4500顆系外行星。探測(cè)系外行星的方法主要有哪些？
林潮：方法有很多。最直接的是成像法（imaging）。由于行星相對(duì)于太陽和背景恒星是運(yùn)動(dòng)的，所以古希臘和古代中國的天文學(xué)家們?cè)谡_的時(shí)間和地點(diǎn)仰望天空，就發(fā)現(xiàn)了太陽系的其它行星。但白天太陽光太亮，很難看到火星、木星和土星。從地球的角度來看，系外行星非常靠近它們的主星，主星通常比繞轉(zhuǎn)的行星要亮數(shù)十億倍。成像法最大的難點(diǎn)是要有效地阻擋恒星的光。
第二個(gè)方法叫視向速度巡天（radial velocity survey）。由于行星和恒星之間存在萬有引力作用，它們會(huì)相互干擾。如果在恒星光譜中觀測(cè)到微弱的周期性變化，這些信號(hào)很可能是由行星繞轉(zhuǎn)引起的。飛馬座51b就是這種方法發(fā)現(xiàn)的。后來，包括中國在內(nèi)的許多國家的天文學(xué)家又用這種方法發(fā)現(xiàn)了幾百個(gè)系外行星。
第三種叫凌日法（transit method）。凌日類似于日食，當(dāng)一顆行星從地球和它的主星之間經(jīng)過時(shí)，它會(huì)擋住主星發(fā)出的一小部分光芒。精確測(cè)量恒星亮度的細(xì)微變化在技術(shù)上要求極高，但這個(gè)凌日法卻是目前識(shí)別系外行星最有效的方法，已經(jīng)找到了幾千顆。這里主要涉及的望遠(yuǎn)鏡就是前面所講的美國NASA的開普勒和TESS。凌日法還有個(gè)好處，就是可以匯總候選行星，在凌日再次發(fā)生時(shí)對(duì)它們大氣的物理和化學(xué)成分進(jìn)行進(jìn)一步研究。這就好比搖滾明星在舞臺(tái)上表演，他們身后的聚光燈發(fā)出強(qiáng)烈的光，使得我們可以在影子里看清他們飛舞的發(fā)絲。
除了上面幾種方法，還可以通過測(cè)量主星位置變化、微引力透鏡現(xiàn)象、或主星發(fā)出的無線電信號(hào)來探測(cè)行星。利用微引力透鏡現(xiàn)象已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾十顆系外行星，這個(gè)方法還具有探測(cè)與地球具有相似質(zhì)量和軌道的行星的潛力。
我覺得行星探測(cè)的美妙之處在于可以用多種互補(bǔ)的技術(shù)來描述一顆行星的各個(gè)方面。沒有某種技術(shù)是完全優(yōu)于其他技術(shù)的。我們可以用大型的凱克望遠(yuǎn)鏡（編者注：位于夏威夷的兩臺(tái)口徑10米的光學(xué)/近紅外望遠(yuǎn)鏡）來進(jìn)行復(fù)雜測(cè)量，也可以用很小口徑的望遠(yuǎn)鏡來觀測(cè)。實(shí)際上，凌日法觀測(cè)到的第一顆系外行星就是用一架4 英寸（10.16厘米）的望遠(yuǎn)鏡在科羅拉多州丹佛市的一個(gè)停車場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)我聽說這個(gè)故事的時(shí)候，我想，“這事的潛力太大了！” 后來的發(fā)展也確實(shí)如此。
《國家科學(xué)評(píng)論》：關(guān)于地外生命的搜尋，我們目前進(jìn)展到哪一步了？
林潮：過去的五十年里我們對(duì)行星物理特性的認(rèn)識(shí)提高了不少，但在生命起源方面的認(rèn)知仍然相當(dāng)初級(jí)，大都帶有猜測(cè)性，因?yàn)闆]有任何實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以明確地告訴我們對(duì)或者不對(duì)。
我每次做公眾演講時(shí)都喜歡問兩個(gè)問題。第一個(gè)問題是：“誰相信地球以外有生命？” 90%的觀眾都會(huì)舉手。第二個(gè)問題是：“誰知道我們是否有確鑿證據(jù)，證明地外生命確實(shí)存在？” 這次幾乎沒人舉手。所以大家都有觀點(diǎn)，但沒有事實(shí)。
這就是為什么我們需要繼續(xù)尋找線索，并對(duì)可能的情形做出限制。我們的探測(cè)和表征能力仍相當(dāng)有限，理論結(jié)構(gòu)仍相當(dāng)初級(jí)。但只要堅(jiān)持不懈，我們一定能提高對(duì)地外生命的感知力和理解力。
《國家科學(xué)評(píng)論》：尋找地外生命時(shí)，主要通過識(shí)別哪些 “生物標(biāo)記”？
林潮：系外行星上其實(shí)不乏已知生物體的常見元素，如碳、氫、氮、氧。甚至不乏符合基本定義的宜居行星。然而，相對(duì)容易探測(cè)到的生命跡象很少，只能先去找一些間接的 “標(biāo)記”。如果你去青藏高原上尋找雪豹，那么比較簡(jiǎn)單的辦法是在廣闊崎嶇的高原上尋找雪豹的腳印。地球上最容易識(shí)別的生命痕跡是大氣中的分子氧。分子氧不是微生物存在的必要成分，而是微生物代謝產(chǎn)生的副產(chǎn)品。在太古宙時(shí)期，地球上的生物過程極大地豐富了大氣中分子氧的含量。假設(shè)現(xiàn)在扼殺地球上的一切生命，那么大氣中的分子氧含量將迅速下降，因?yàn)檠跏且环N很活潑的元素，會(huì)很快與土壤中的元素反應(yīng)而消耗掉?；鹦堑谋砻媸羌t褐色的，正是因?yàn)榛鹦谴髿庵械难鹾突鹦峭寥乐械蔫F元素發(fā)生了反應(yīng)。
天文學(xué)家選擇把分子氧作為生物標(biāo)記是因?yàn)樗鄬?duì)容易探測(cè)。氧是宇宙中第三豐富的元素，盡管它在絕大多數(shù)恒星和行星的大氣中往往并不以自由分子的形式存在。以我們現(xiàn)在的技術(shù)能力，不難從紅外波段探測(cè)到痕量的氧分子。如果氧以臭氧形式存在，那么更容易，從可見光波段就能探測(cè)到。很多天文學(xué)家都相信如果我們?cè)谀愁w行星的大氣中檢測(cè)到高濃度的分子氧，那么行星表面就可能存在碳基生命。
不久前科學(xué)家們?cè)诮鹦谴髿庵邪l(fā)現(xiàn)了極少量的磷化氫。磷化氫主要由地球生物體產(chǎn)生，一直被認(rèn)為是生物標(biāo)記，因此論文作者們認(rèn)為這可能是金星高溫大氣層中存在生命的跡象。硫化氫光譜是否受到了金星大氣中的二氧化硫的影響？這篇論文受到了一波健康的質(zhì)疑，甚至有科學(xué)家根據(jù)自己的觀察和分析，完全駁斥了那些微弱的信號(hào)。這種爭(zhēng)論在科學(xué)界是很正常的。正如天體生物學(xué)開拓者卡爾·薩根說的：“非凡的主張需要非凡的證據(jù)（Extraordinary claims require extraordinary evidence）?！?/span>
《國家科學(xué)評(píng)論》：如果我們?cè)谛行巧咸綔y(cè)到了分子氧，那又意味著什么？
林潮：那也只是第一步。氧可以有其他來源，如光解水分子。要把與生物活動(dòng)相關(guān)的氧和其他來源的氧區(qū)分開來。這里面的情況非常復(fù)雜，因?yàn)樯婕暗缴?、化學(xué)、物理、地質(zhì)和大氣過程的跨學(xué)科解釋，究竟哪些過程在哪些情況下占了上風(fēng)等等。
除了分子氧，我們還要探測(cè)其他的生物標(biāo)記。即使擁有最強(qiáng)大的地面和空間望遠(yuǎn)鏡，最先進(jìn)的儀器和軟件，要逐一觀察少量精心挑選的宜居行星上的生物標(biāo)記也是需要時(shí)間的。也許十年以后，我們能掌握足夠的數(shù)據(jù)來得出這樣一個(gè)初步結(jié)論：在我們檢查過的所有行星中，有10%，1%或0.1%都發(fā)現(xiàn)了潛在的生物標(biāo)記。有了這個(gè)結(jié)論，我們就可以把這些生物標(biāo)記與行星位置、宿主恒星年齡和組成的關(guān)系，與宜居帶行星的情況進(jìn)行對(duì)比。這樣既探測(cè)了生物標(biāo)記，又獲得了其嚴(yán)格的上限值，對(duì)于我們理解宇宙其它地方的生命特征會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
《國家科學(xué)評(píng)論》：如果外星生命形式與地球生命完全不同，不需要水、或者不是碳基的，那又該如何去尋找？
林潮：在我們開始盲目地尋找其他生命形式之前，需要對(duì)生命的定義達(dá)成共識(shí)。一種常用的定義是：“生命是能夠自我組裝和自我復(fù)制的生物”。按照這個(gè)定義，我們很快將迎來硅基生命的智能機(jī)器人，這些硅基機(jī)器人跟碳基生命的生物標(biāo)記完全不同。想要遠(yuǎn)程探測(cè)硅基生命不僅面臨技術(shù)挑戰(zhàn)，它們能否被真正視為生命還有爭(zhēng)議。
美國前國防部長(zhǎng)唐納德·拉姆斯菲爾德曾將 “已知的未知”（known unknowns ）和 “未知的未知” （unknown unknowns）區(qū)別開來。這個(gè)問題就屬于“未知的未知”。我想我們應(yīng)該從已知的未知開始，一步步尋找地外生命。從地球生命形式出發(fā)去找總是容易些，畢竟知道要找什么。我承認(rèn)這種方法是以地球?yàn)橹行牡模繕?biāo)比較狹隘。但如果沒有任何基于先驗(yàn)知識(shí)的搜索標(biāo)準(zhǔn)，那我們恐怕連要問哪些問題都不知道。
《國家科學(xué)評(píng)論》：如果真的發(fā)現(xiàn)了外星生命，我們?cè)趺崔k？
林潮：我傾向于先按兵不動(dòng)，然后仔細(xì)觀察這些外星生命，深入了解它們的特征、行為、優(yōu)勢(shì)和弱點(diǎn)。要搭載著具有生命支撐系統(tǒng)的飛行器從他們的母星飛到地球，一般來說技術(shù)難度很大。還是謹(jǐn)慎一點(diǎn)比較明智，尤其當(dāng)我們還不知道這種生命形式是熱情友好的、還是比較仇外敵對(duì)的。
總之，只要取得任何微生物在外星球上存在的證據(jù)，就足以豐富我們對(duì)貧瘠環(huán)境下生命如何形成的理解。這些知識(shí)還能打破學(xué)科邊界，幫助人類用整體視角去認(rèn)識(shí)自然。無論如何，我的建議是不要擔(dān)心！我主張客觀地去理解周圍的世界，不要由于缺乏同理心或懷著先入為主的偏見而反應(yīng)過度。
《國家科學(xué)評(píng)論》：尋找系外行星和地外生命，能否幫助我們更好地認(rèn)識(shí)地球面臨的問題？
林潮：看看今天的金星和火星，就可以預(yù)見全球氣候變化的后果。我們知道在白堊紀(jì)時(shí)期地球的溫度比現(xiàn)在要高得多，但歷史上的氣候變化都是在很長(zhǎng)的時(shí)間尺度上發(fā)生的，比如幾十萬年到幾百萬年?，F(xiàn)在最令人擔(dān)心的事，是由于人類活動(dòng)使得二氧化碳和其他溫室氣體在大氣中以驚人的速度進(jìn)行累積。模型預(yù)測(cè)，就在我們下一代，地球的氣候模式和海岸線位置會(huì)有重大變化。我們亟需扭轉(zhuǎn)這種趨勢(shì)。
當(dāng)前世界領(lǐng)導(dǎo)人的討論主要集中在減少碳排放上，但開發(fā)碳捕獲技術(shù)也是非常重要的。對(duì)其他行星大氣環(huán)流和氣候動(dòng)力學(xué)的研究能給我們帶來啟發(fā)。例如金星的溫室效應(yīng)很強(qiáng)，以至于雨水在到達(dá)地面之前就已經(jīng)蒸發(fā)了。我們一定不希望這種情況發(fā)生在地球上，因?yàn)樗鼤?huì)切斷碳從地球大氣返回地表土壤和巖石的主要渠道。我們需要揭示全球范圍內(nèi)空氣、海洋、海冰、地表、大氣化學(xué)以及生物和工業(yè)活動(dòng)之間復(fù)雜的相互作用，認(rèn)識(shí)地殼巖石內(nèi)部和深部長(zhǎng)期的碳沉積-釋放的循環(huán)過程。這些知識(shí)都會(huì)有助于我們制定整體、高效的應(yīng)對(duì)方法，減緩氣候變暖的腳步。
《國家科學(xué)評(píng)論》：您對(duì)于地外生命的尋找有哪些建議？
林潮：尋找地外生命的主要挑戰(zhàn)之一是要找到確鑿的、經(jīng)得起任何懷疑和推敲的證據(jù)。除了已經(jīng)討論得很多了的宜居帶問題和極端環(huán)境下的生命形式，其實(shí)還有很多重要問題等待我們?nèi)ソ獯?。比如，為什么微生物能在地球上迅速興起，而火星已經(jīng)沒有了生命跡象？畢竟火星也曾經(jīng)被液態(tài)水覆蓋，并擁有類似地球大氣的保護(hù)層?；鹦巧系降资欠裨?jīng)出現(xiàn)過微生物，這至今仍然是個(gè)謎。那么生命的基本信息是從哪里開始的？又是如何從行星表面上滅絕的？現(xiàn)在大家都不知道答案，甚至不知道怎么去構(gòu)建一個(gè)可以檢驗(yàn)的假設(shè)。
盡管如此，我們還是有充分理由對(duì)未來的研究感到樂觀。就在四年前，我們探測(cè)到了第一個(gè)穿越太陽系的星際物體奧陌陌（Oumuamua）。如果這種穿越事件真像我們預(yù)期的那樣豐富，那么即將發(fā)射的維拉魯賓天文臺(tái)（Vera Rubin Observatory）每年約能探測(cè)到數(shù)百個(gè)這樣的星際物體，它們攜帶著來自其主恒星和相鄰行星的寶貴信息。我們從太陽系小行星、彗星和行星的衛(wèi)星上提取樣本的技術(shù)也在逐步完善。依靠這些技術(shù)，我們就能追蹤星際物體的歷史軌跡，實(shí)施取樣返回任務(wù)，獲得的數(shù)據(jù)將大大增加我們對(duì)遠(yuǎn)方行星系統(tǒng)的基本認(rèn)識(shí)，激發(fā)新思想，并對(duì)不同的理論假設(shè)做出進(jìn)一步限制。
《國家科學(xué)評(píng)論》：中國科學(xué)家在探測(cè)系外行星方面做了哪些工作？
林潮：中國在數(shù)個(gè)領(lǐng)域都有成果。一是用凌日法在南極等地對(duì)系外行星候選體展開觀測(cè)，包括近期回國的年輕科學(xué)家利用興隆的郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）對(duì)開普勒望遠(yuǎn)鏡之前探測(cè)到的一些凌日行星的軌道離心率和主恒星參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量。他們的研究為所謂 “超級(jí)地球” 的大量出現(xiàn)提供了重要線索。同時(shí)，清華大學(xué)的師生和韓國科學(xué)家合作，用微引力透鏡法進(jìn)行系外行星的探測(cè)。他們揭示了大量類海王星行星的存在，這種行星用其它方法很難探測(cè)到。
此外，上海天文臺(tái)正在帶頭開展一個(gè)名為 “地球2.0”（Earth 2.0 Transit Planet Survey）的凌日法探測(cè)行星項(xiàng)目。據(jù)我了解，中科院國家空間科學(xué)中心在醞釀?dòng)锰祗w測(cè)量法探測(cè)行星的項(xiàng)目，貴州的天眼望遠(yuǎn)鏡（FAST）也計(jì)劃撥出時(shí)間來探測(cè)與系外行星相關(guān)的無線電信號(hào)。
值得一提的是，中國與美國、日本、加拿大和印度同屬三十米望遠(yuǎn)鏡（TMT）的創(chuàng)始成員國。TMT是正在建設(shè)中的下一代光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，靈敏度非常高，可以觀測(cè)凌日行星的大氣層特征。新發(fā)布的美國天文學(xué) “十年規(guī)劃” 已將其與巨型麥哲倫望遠(yuǎn)鏡（GMT）一起推薦為美國國家基金委在地面天文學(xué)設(shè)施中的首要資助對(duì)象。TMT中國項(xiàng)目能否在兩國目前的政治局勢(shì)中幸存下來還有待觀察，但我衷心希望這樣的項(xiàng)目能夠成為連接和合作的橋梁，造福于各國科學(xué)界。在理想世界中，基礎(chǔ)科學(xué)沒有國界和學(xué)科的界限。我希望所有努力都能帶來積極的結(jié)果。
《國家科學(xué)評(píng)論》：中國在系外行星探測(cè)上有沒有優(yōu)勢(shì)？
林潮：中國在用凌日法進(jìn)行長(zhǎng)期地基觀測(cè)方面有獨(dú)特的地理優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)樾枰獜牡厍蛏喜煌?jīng)度和緯度持續(xù)觀測(cè)目標(biāo)恒星，而包括新疆和西藏在內(nèi)的青藏高原地區(qū)的觀測(cè)目前基本是一片空白。中國可以做很多事情來填補(bǔ)這個(gè)空缺。另外，天眼望遠(yuǎn)鏡是世界上無線電波段探測(cè)靈敏度最高的設(shè)備之一，這也是中國的優(yōu)勢(shì)。
中國也有劣勢(shì)。探測(cè)地外生命必須用紅外設(shè)備，但中國的紅外技術(shù)一直比較落后。一部分紅外探測(cè)設(shè)備始終在美國政府對(duì)華禁運(yùn)清單上。中國要么勉強(qiáng)利用現(xiàn)有的技術(shù)，要么遲早需要下決心來研制自己的紅外技術(shù)，但這涉及資源和人才的投入，而且需要時(shí)間來完成。
中國的太空項(xiàng)目發(fā)展迅速，主要是月球、火星等太陽系內(nèi)的探測(cè)。有團(tuán)隊(duì)正在考慮小行星和彗星取樣返回的可能性。這些巖石樣本是太陽系最古老的遺跡，將為研究太陽系的形成和早期演化提供重要線索。中國在建設(shè)空間站的同時(shí)也在開發(fā)類似哈勃的巡天望遠(yuǎn)鏡，這種望遠(yuǎn)鏡能夠?yàn)檠芯肯低庑行堑拇髿馓卣髯龀鲋匾暙I(xiàn)。
《國家科學(xué)評(píng)論》：中國天文學(xué)界是否準(zhǔn)備好迎接這一輪技術(shù)進(jìn)步帶來的機(jī)遇了？
林潮：中國的系外行星研究隊(duì)伍一直在成長(zhǎng)。最主要的問題是領(lǐng)域內(nèi)真正的專家還不多。最近十五年我一直想推動(dòng)國內(nèi)系外行星研究的發(fā)展，我跟國家自然科學(xué)基金委等部門都交流過，但他們覺得這個(gè)領(lǐng)域還沒有足夠的研究力量。資助部門往往更愿意支持比較成熟的領(lǐng)域，這是很自然的事。不過正是由于研究系外行星的人還不多，才需要支持，這種提攜新興領(lǐng)域發(fā)展的重要性在多年后才會(huì)顯現(xiàn)出來。歐美很多人都是二十多歲讀博士或做博士后的時(shí)候就開始研究系外行星。今天他們已經(jīng)成長(zhǎng)為本領(lǐng)域的中堅(jiān)力量，并推動(dòng)領(lǐng)域不斷前進(jìn)。
想要奮起直追，什么時(shí)候都不嫌晚。一些在歐美深造的中國學(xué)生選擇了系外行星研究，有的人已經(jīng)帶著觀測(cè)和理論方面的專業(yè)知識(shí)回到中國。這些新生力量有望引領(lǐng)中國在系外行星領(lǐng)域的重大前沿項(xiàng)目。我也希望這些年輕人進(jìn)一步完善中國的科研文化，為科研的各個(gè)方面帶來新鮮空氣，包括戰(zhàn)略層面的發(fā)展規(guī)劃和充滿活力的國際合作。
《國家科學(xué)評(píng)論》：天文學(xué)涉及大科學(xué)裝置，大科學(xué)裝置需要多方合作。您認(rèn)為中國天文界如何才能更好地合作？
林潮：這確實(shí)是個(gè)挑戰(zhàn)。中國社會(huì)可能是全世界競(jìng)爭(zhēng)最激烈的社會(huì)之一。小孩子出生不久就要接受評(píng)估和比較。從小學(xué)到大學(xué)，通過定期考試等手段來評(píng)估學(xué)生的成績(jī)和能力。雖然定量和標(biāo)準(zhǔn)化的評(píng)估有助于確保公平、激發(fā)成就感和促進(jìn)自豪感，但如果競(jìng)爭(zhēng)的欲望太強(qiáng)，會(huì)在無形中阻礙人與人的合作。在學(xué)術(shù)界，科研人員的工作往往用發(fā)表論文的影響力來評(píng)判和獎(jiǎng)勵(lì)。最簡(jiǎn)單的方法是用作者身份、論文引用次數(shù)、基金數(shù)量和獲獎(jiǎng)數(shù)量等指標(biāo)進(jìn)行排名。不幸的是，一篇論文只能有一個(gè)第一作者和一個(gè)第一單位。這種排名可以為科研人員的晉升提供一種機(jī)械化的標(biāo)準(zhǔn)，但私下圍繞第一作者、第一單位署名問題的尷尬協(xié)調(diào)并不利于團(tuán)隊(duì)間的長(zhǎng)期合作。
在這里我想用瑞士做個(gè)例子。瑞士有四種官方語言，文化也相當(dāng)多元化，但它在許多科技領(lǐng)域都是世界領(lǐng)先的，尤其是系外行星研究。怎么可能呢？我認(rèn)為這里有值得中國天文界學(xué)習(xí)的地方。全世界科學(xué)家都會(huì)做的一件事是競(jìng)爭(zhēng)科研資源。然而當(dāng)一個(gè)大項(xiàng)目最終塵埃落定后，瑞士人能夠做到讓失敗的一方加入勝利的一方，雙方一起來推動(dòng)項(xiàng)目的發(fā)展。然而在中國，我經(jīng)?？吹绞∧欠阶谝贿?，看著獲勝方把項(xiàng)目做成——或做不成。整個(gè)領(lǐng)域的目標(biāo)比某個(gè)機(jī)構(gòu)的利益更重要。建立共識(shí)、促進(jìn)合作比獲得個(gè)人榮譽(yù)、樹立個(gè)人權(quán)威更重要。
合作對(duì)于天文學(xué)的發(fā)展尤其關(guān)鍵，因?yàn)楝F(xiàn)代天文學(xué)強(qiáng)調(diào)多波段觀測(cè)，只有天文學(xué)家通力合作才能及時(shí)交換信息，拼湊出關(guān)于某個(gè)天體或天文現(xiàn)象的全面圖景。天文學(xué)的另一個(gè)特點(diǎn)是隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，其主要研究方向大約每十年就會(huì)發(fā)生重大轉(zhuǎn)變。在天文界內(nèi)部就短期、中期和長(zhǎng)期的研究重點(diǎn)達(dá)成共識(shí)是很重要的。建立共識(shí)的過程需要透徹的討論、批判性的評(píng)估、包容性的辯論和全球視野。美國天文學(xué)的 “十年規(guī)劃” 就是這樣產(chǎn)生的。十年規(guī)劃的研究重點(diǎn)超越了任何一個(gè)機(jī)構(gòu)或分支學(xué)科的研究興趣，反映了整個(gè)天文界的合作精神。
中國天文界需要通過改革來建立一個(gè)靈敏有效的決策機(jī)制。雖然也常組織專家委員會(huì)來討論未來發(fā)展，但容易出現(xiàn)某一級(jí)委員會(huì)的結(jié)論被另一級(jí)委員會(huì)（或其它想維護(hù)其機(jī)構(gòu)或分支學(xué)科的既得利益團(tuán)體）推翻的情況。通過來回操控，個(gè)別派系獲得了暫時(shí)的勝利，但這種不顧規(guī)則的做法將對(duì)決策過程造成長(zhǎng)遠(yuǎn)的負(fù)面影響。必須保護(hù)和尊重相關(guān)科學(xué)家，尤其是年輕科學(xué)家的意見。直接與國家領(lǐng)導(dǎo)人進(jìn)行溝通、游說的做法可能有助于項(xiàng)目啟動(dòng)，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看會(huì)妨礙固有的行政秩序，給領(lǐng)導(dǎo)人增加不必要的負(fù)擔(dān)，降低程序執(zhí)行的透明度。
最后，將中國科學(xué)院在重大資源配置、國家設(shè)施運(yùn)營和大科學(xué)項(xiàng)目規(guī)劃推進(jìn)等方面的職責(zé)分開可能會(huì)使科研工作更高效、包容性更高。不會(huì)有完美的解決方案，幸運(yùn)的是中國對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)研究的投入在快速增長(zhǎng)。隨著政府支持的增加和年輕人才的涌入，我盼望看到中國在行星天體物理學(xué)等前沿領(lǐng)域做出引領(lǐng)性的重大發(fā)現(xiàn)。同時(shí)，中國天文界需要思考如何最大限度地提高政府投資的效果和科學(xué)回報(bào)。對(duì)于大科學(xué)裝置而言，最終展現(xiàn)給世界的應(yīng)該是豐碩的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，而不是光鮮亮麗的裝置本身。建造龐大而昂貴的大科學(xué)裝置也并非實(shí)現(xiàn)全球重大影響的唯一途徑。
《國家科學(xué)評(píng)論》：您是北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所的首任所長(zhǎng)。您如何看待中國在吸引外籍人才來華工作方面做出的努力？
林潮：前沿科學(xué)受國界限制比較少，國際化的機(jī)會(huì)較多，特別是天文學(xué)，我們的研究對(duì)象是同一片天空。KIAA的初衷是要打造一個(gè)開放的、國際化的研究平臺(tái)。我們遇到了一些挑戰(zhàn)。在中國，經(jīng)常會(huì)用嚴(yán)格的指標(biāo)來評(píng)判一個(gè)機(jī)構(gòu)的表現(xiàn)，機(jī)構(gòu)必須不斷證明其存在的合理性。但我覺得KIAA沒有必要去爭(zhēng)奪中國第一研究所的位置。相反，我希望把她打造成一個(gè)全世界科學(xué)家都可以來討論想法的卓越中心，一個(gè)激發(fā)創(chuàng)新的孵化器，和一個(gè)幫助年輕學(xué)者尋找靈感、探索方向、成長(zhǎng)為原創(chuàng)思想家的智力平臺(tái)。這些崇高的目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槲铱偛荒軐?duì)領(lǐng)導(dǎo)說，“我正在致力于培養(yǎng)良好的學(xué)術(shù)環(huán)境，二十年后可能會(huì)出成果。” 我相信今天的KIAA正在朝著正確的方向前進(jìn)，最終將成為世界一流的研究所。
《國家科學(xué)評(píng)論》：您認(rèn)為我們需要在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域鼓勵(lì)更多 “大膽的探索者” 來攻克難題嗎？
林潮：非常需要。天文學(xué)的很多重大發(fā)現(xiàn)看起來都是偶然取得的：比如人們一開始想尋找跟我們太陽系相似的行星系統(tǒng)，但找到的第一顆系外行星跟太陽系行星完全不一樣。這些偶然發(fā)現(xiàn)并非真的偶然，需要設(shè)備、資金的鋪墊，還有人才和一點(diǎn)創(chuàng)造性思維。
我出生在蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星的時(shí)期，六歲就對(duì)天文產(chǎn)生了興趣。我希望今天的孩子和年輕人能從正在進(jìn)行的太空探索中獲得靈感和啟發(fā)。系外行星領(lǐng)域有許多富有想象力、敢于大膽嘗試的年輕人，他們的科學(xué)觀很少受到先入為主的限制。在利用新技術(shù)新設(shè)備方面，這些年輕人非常靈活，富有創(chuàng)新性。很多人在設(shè)計(jì)復(fù)雜算法或從數(shù)據(jù)中挖掘信號(hào)方面有天賦，還有人還提出了原創(chuàng)性的技巧，無需巨額投資或制造昂貴的大設(shè)備就能解決問題。
《國家科學(xué)評(píng)論》：您對(duì)年輕科學(xué)家有哪些建議？
林潮：我一般會(huì)給處于科研事業(yè)初期的年輕人四點(diǎn)建議。
首先，追隨你的內(nèi)心，這很重要。只有這樣你才能懷著熱情、決心和永不滿足的好奇心去迎接挑戰(zhàn)，而不是僅僅獲得一份穩(wěn)定的工作或好的名聲。追求知識(shí)本身是一種崇高的動(dòng)機(jī)。
其次，在你尋找答案之前，不妨先想一想問題是什么。作為老師，我更喜歡激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的原創(chuàng)思想。維生素C的發(fā)現(xiàn)者阿爾伯特·圣捷爾吉曾經(jīng)說過：“發(fā)現(xiàn)就是看到了大家都看得到的東西，而想到了大家都想不到的東西。” 雖然你必須謙虛地向?qū)熀屯袑W(xué)習(xí)，但只有保持開放的心態(tài)和獨(dú)立思考的能力，才能開拓未知領(lǐng)域。
第三，找到一種或幾種最適合自己的研究方法。有人數(shù)學(xué)有天賦，有人擅長(zhǎng)做實(shí)驗(yàn)，有人善于挖掘數(shù)據(jù)，有人在儀器制造方面很有創(chuàng)造力。所有這些專業(yè)能力在科學(xué)研究中都是需要的。對(duì)我自己來說，我最喜歡揭示復(fù)雜天體物理現(xiàn)象之間的聯(lián)系。但我不一定要嘗試所有方法。我欽佩和尊重同事們的專業(yè)特長(zhǎng)，并積極和我的同齡人和學(xué)生們開展合作。你要找到自己的天賦，對(duì)自己充滿信心，同時(shí)去欣賞、學(xué)習(xí)和受益于他人的特長(zhǎng)。
第四，科研是一種集體行為，因此我們有責(zé)任傳播自己的研究成果。要讓盡可能多的人理解你的研究，這樣你的想法才會(huì)變得有影響力?？梢杂?xùn)練自己做 “電梯演講”，設(shè)想在電梯從一樓升到四樓的時(shí)間內(nèi)把你研究課題的精髓介紹給外行。對(duì)于我來說，能把自己的科研熱情分享給領(lǐng)域外的人，把自己研究的重要性解釋清楚，激發(fā)他人的求知欲和靈感，我就覺得很滿足。
《國家科學(xué)評(píng)論》：最后一個(gè)問題：您最近在研究什么？接下去打算做什么？
林潮：過去五年我一直專注于引力波研究。最近探測(cè)到的引力波信號(hào)來自兩個(gè)相互繞轉(zhuǎn)的恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的并合。在它們并合的最后階段，這些黑洞強(qiáng)烈地扭曲了周圍的時(shí)空，產(chǎn)生的引力波傳播到極遠(yuǎn)的距離。我最感興趣的問題是：這些雙黑洞是哪里來的？它們究竟是如何并合成更大的黑洞的？最初被廣泛認(rèn)可的理論模型認(rèn)為這些雙黑洞是雙星系統(tǒng)演化的副產(chǎn)品，然而隨著我們獲得更多數(shù)據(jù)，這種模型在解釋黑洞的質(zhì)量范圍和自旋率方面遇到了挑戰(zhàn)。
在尋找其它解釋的過程中，我把這些引力波事件與活動(dòng)星系核聯(lián)系起來?；顒?dòng)星系核包含了超大質(zhì)量黑洞周圍的吸積盤，根據(jù)我之前對(duì)行星形成和吸積盤的研究，我認(rèn)為活動(dòng)星系核中超大質(zhì)量黑洞周圍的氣體吸積盤可以為恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的誕生、成長(zhǎng)、配對(duì)以及最終并合提供一個(gè)理想的場(chǎng)所。我過去在行星形成領(lǐng)域的許多研究方法都可以直接用到雙黑洞研究上。我和敢于探索的年輕人合作研究這些問題，并鼓勵(lì)他們跳出框框進(jìn)行原創(chuàng)性思考。在這個(gè)過程中，我們發(fā)現(xiàn)了以前被忽視的一些物理效應(yīng)，而這些效應(yīng)反過來又對(duì)行星形成的研究有啟發(fā)。
在我研究天體物理的幾十年里，飛速進(jìn)步的技術(shù)給我們帶來了爆炸式增長(zhǎng)的多波段、多信使的觀測(cè)數(shù)據(jù)，極大地拓展了我們的視野。從系外行星到天體生物學(xué)、黑洞、活動(dòng)星系核和引力波，這些新線索開啟了天體物理學(xué)令人興奮的黃金時(shí)代。這些領(lǐng)域之間既互補(bǔ)又相互聯(lián)系，跨越了巨大的空間和時(shí)間尺度，為潛在的重大發(fā)現(xiàn)提供了肥沃的土壤。我一生在許多國家生活、學(xué)習(xí)和工作過，在同行和社會(huì)的支持下得以參與這些振奮人心的研究，我倍感幸運(yùn)和感激。我也羨慕今天的年輕人能有這么多機(jī)會(huì)去探索新的想法、追求重大進(jìn)步，從而更全面、更準(zhǔn)確地理解宇宙及其豐富的組成成分。
制版編輯 | 姜絲鴨
