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星海拓荒,恒心如日——燕之屋【先生】專訪天體物理學家方成

2024-07-25科學

由燕之屋特約播出的中國之聲特別策劃【先生】,向以德性滋養風氣的大師致敬、為他們的成就與修為留痕。本期專訪天體物理學家方成。

人物名片

方成,86歲,天體物理學家,中國科學院院士。他主持設計和研制了中國第一座塔式太陽望遠鏡,並帶領團隊30多年來堅持用其進行多波段的太陽活動觀測,獲得一系列高質素的太陽耀斑、黑子、日珥等二維光譜資料。他親歷了中國對太陽研究的從無到有,從搭建觀測塔到升級天文台、再到領銜把中國首顆太陽探測科學技術試驗衛星「羲和號」送入太空。2010年國際天文學聯合會將編號為185538號的小行星命名為「方成星」。

圖:天體物理學家、中國科學院院士方成

01

心懷壯誌 求索探新

在方成先生的回憶中,那個夏天是那麽熾熱,無論是南京似火的驕陽,還是他和同學們心中滾燙的夢想。

1958年酷暑時節,南京大學校園裏草木蔥蘢。年輕的方成懷抱著一沓沓厚厚的稿紙,步履匆匆。那一年,他還是天文系大三的學生;那一年,他開始向著兒時的憧憬奔跑,籌建中國第一座塔式望遠鏡、探索光芒萬丈的太陽。

方成回憶道:「太陽塔有二三十米高,望遠鏡放在整個建築的最上面,把這個光線引到塔下面來進行觀測,比較穩定,地面上的一些擾動都可以避免掉,可以得到很好的太陽像和太陽光譜,它是一種特殊的精密望遠鏡。」‍

圖:1955年,方成考入南京大學天文學系。

美國韋遜山天文台早在1908年就率先建造了太陽塔,並取得良好的觀測結果。但上世紀50年代,中國天文學的觀測器材還是一窮二白,只有南京紫金山天文台20多年前從國外購置的一架60厘米反射望遠鏡。

這時,一位前蘇聯太陽物理專家的到來,為師生們開啟了一扇希望的大門。方成回憶,太陽物理專家西特尼克教授給他們畫了個草圖。他們知道太陽塔大概是什麽樣子後,覺得建太陽塔是一個可行的方案。

圖:1959年,方成和同學們討論太陽塔設計。

畫圖、計算,一切工作都只能靠人力完成。計算錯了、圖紙設計出現問題,只能推倒從頭再來,不過這些困難都擊不垮滿腔熱血的青年們。但正當大家一心期待著寄予厚望的太陽塔建成、中國太陽物理研究能迎來新突破的時候,一盆冷水澆了下來。

「1959年年底到1960年年初,所有蘇聯專家全部撤回去了,我們這位專家也走掉了。‍」方成說道。

原本已經困難重重的太陽塔建設就這樣擱淺了,後來幾經起落,這一拖就是十四年。而與此同時,國際天文學科卻在突飛猛進。

當時歐洲、日本都已經建了太陽塔,方成說:「我們越來越落後,要趕上去。如果一直不搞這個東西的話,第一手資料就拿不到。」

02

鍥而不舍 攻堅克難

沒有天文器材,何談搞天文?

方成執著地推動著專案重新開機,幾經挫折和起落,直到1973年,轉機終於來了,南京大學天文系決定繼續建設太陽塔,當時還是助教的方成擔任研制組組長。盡管資金短缺、質疑聲不斷,但方成知道,中國天文研究已經沒有時間可以拖延和浪費了。

「研制組第一個任務就是要做好調研,到底國外現在做成了什麽樣子。我們不能抄他們的,我們要有自己的特色。設計當時困難在什麽地方?就是電子電腦那時候很少,這個也非常艱苦的,但是最後我們自己把它設計好了。」他說道。

設計有了,太陽塔建在哪裏?方成帶著研制組跑遍了南京周邊方圓100公裏左右的地方。「我們就騎單車跑,到處去看,哪個地方最幹凈。因為太陽塔的觀測要好,天空一定要非常幹凈,灰塵要少,像灰霧的天氣觀測是不行的,拍的照就很差了。」

圖:南京大學天文系重新組織了太陽塔研制小組,建設太陽塔時期留影。

考察空氣質素,又沒有儀器測量,用什麽標準呢?

方成和組員們想到了一個有趣的辦法——看樹葉。如果一個地方空氣清新,道路兩旁的樹葉就不會積累太多灰塵。於是久而久之他形成了特殊的「癖好」,無論走到哪裏,要是不看樹葉,飯也吃不好,覺也睡不著。後來,他們又自制儀器測量大氣質素。就這樣經過反復對比之後,選定了紫金山南麓的孝陵衛。

方成還來不及高興,下一道難題又擺在了眼前,太陽塔部件的精密度要求太高,制造困難。於是他幾乎天天下到工廠車間,和工人們一起作業。

圖:建設中的太陽塔

1979年秋天,南京孝陵衛的荒野中,矗立起一座小巧別致的穹頂小塔。塔高21米,定天鏡有效口徑46厘米。

太陽塔建好以後,方成團隊第一次把望遠鏡對準太陽,看到了清楚的太陽像。「這證明我們整個設計制造都是符合要求的,獲得了一個大概20厘米的太陽像,上面的黑子都清清楚楚。」

圖:中國第一座太陽塔建成

三年後,南京大學太陽塔及多波段太陽光譜儀透過國家級鑒定,達到了國際同類口徑太陽塔的先進水平。

方成說,這個望遠鏡的特別之處是可以同時得到六個波段上的太陽光譜,包括太陽的物理狀態、密度溫度,都可以用光譜測定出來,得到了一大批很好的成果。「可以說,從此中國的太陽物理研究走上了國際舞台。」

圖:1995年,方成在太陽塔觀測。

03

敢為人先 百折不撓

2021年10月14日,沈沈夜色中,中國第一顆太陽探測科學技術試驗衛星「羲和號」從太原衛星發射中心一飛而起,奔向無垠的太空。那一天,83歲的方成和團隊就守在發射現場。

圖:2021年10月14日18時51分,中國在太原衛星發射中心采用長征二號丁運載火箭,成功發射首顆太陽探測科學技術試驗衛星「羲和號」。

在「羲和號」之前,國際上已經陸續發射了70顆太陽專用或相關衛星。而中國太陽空間探測的第一步,該怎麽邁?

方成說,不能跟人家搞一樣的,「科學研究只有第一沒有第二」。後來,他想到了一個辦法,對太陽可見光裏最重要的一條譜線——Hα譜線進行空間觀測。這正是國際上空缺的地方。

透過研究Hα譜線,可以巧妙反推出太陽的溫度、密度,並對太陽爆發活動做出預報。但Hα光譜成像空間望遠鏡在全世界尚屬首創,研制難度可想而知。

方成在驗收儀器時,發現光學望遠鏡曝光時間太短,影響影像質素;而且,太陽像到底好不好,也不知道。於是他提出,一個月內要更換濾光片,達到設計指標,否則整個實驗成果都可能付諸東流。

圖:「羲和號」衛星實作國際首次太陽Hα波段光譜成像的空間探測,填補太陽爆發源區高質素觀測數據的空白。

「羲和號」的發射升空,開啟了中國空間探日的新時代。兩年多來,它已取得首批探測成果,傳回的海量觀測數據正在向全球開放共享。探日征程步伐穩健、漸入佳境,「羲和二號」的發射也有了初步計劃,將對太陽進行立體探測。

方成說,現在團隊積累的資料已經到了450TB,有十幾個國家的科學家都在使用。「現在我們正在努力,希望把‘羲和二號’放到拉格朗日點的L5點上去,離地球1億5000萬公裏。太陽、地球和L5這個點組成一個等邊三角形,是從另外一個角度去看太陽,國際上從來沒有一顆衛星固定在L5上面觀測。所以我們想趕緊把它搞出來,我們國家就又有了一個世界第一了。」

04

追求卓越 矢誌不渝

換個角度看太陽,我們還要做世界第一。傾力半個多世紀不停探索,86歲的方成如今仍堅守在研究崗位上,貢獻著自己的智慧和力量。他的學生、中國科學院紫金山天文台研究員甘為群說,能與老師並肩作戰,比孤獨前行珍貴得多。

甘為群說,在80歲左右的院士裏,堅持一線工作,還寫論文發表的已經非常少了,方老師就是其中之一。「他現在完全是一種滿負荷的工作狀態,身上相當於兩倍的工作量。」

圖:方成與南京大學師生合影

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圖:截至2023年,燕之屋已連續八年高端燕窩全國銷售第一

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