叶叔华：不懈探索星空的秘密

仙仙

【人物简介】叶叔华，我国著名天文学家，中国科学院院士，中国科学院上海天文台研究员。1981年至1993年，任上海天文台台长，成为中国天文史上唯一的一位女天文台台长。长期从事天体测量和天文地球动力学研究，曾获得中国科学大会和中国科学院重大成果奖、中国科学院科技成果一等奖、国家自然科学二等奖、中国科学院科技进步一等奖和上海市科技进步一等奖等。



从我们生活的地球的运转规律，到宇宙深处的星辰的诞生和消亡，再到宇宙起源的瞬间和漫长的演化进程，天文学研究潜移默化地锚定了人类对时间和空间的认识，并且塑造了人类的世界观。然而，相比于广袤无垠的宇宙，地球乃至太阳系都够不上“沧海一粟”的级别。我们越是探索，越有更多的未知浮现。


作为中国第一位女性天文台台长，叶叔华穷尽一生时光，成为天体测量和天文地球动力学领域的泰斗。如今，已是耄耋之年的她仍然耕耘不辍，以求为中国的射电天文学储备未来。


精确测定“北京时间”


提到“叶叔华”这个名字，天文学界之外的人可能会感到陌生。但是，14亿中国人每天的生活，都与她的第一项科研成就有着千丝万缕的联系，因为我们就生活在由她确立的中国标准时间——“北京时间”之中。




1951年11月底，叶叔华成为上海徐家汇观象台的第一位女性研究人员，那年她24岁。这座观象台是清朝时由法国传教士设立的，主要从事气象和时间服务。11年后，它与上海市郊的佘山观象台一起，成为中国科学院上海天文台。




1958年，在徐家汇观象台的一间半地下室里，叶叔华开始了她的第一项科学工作——为国家观测和计算“时间”。很多省份的地图没有经过精确测绘，全国还没有标准地图，而想要精确地测量一个地方的经度，就需要有高精度的世界时服务作为保证。


中国幅员辽阔，东西方向跨越了多个时区。需要在多个地区建立起能够测时的天文台，而且要配备先进的测时设备。但这样的要求，以中国当时的国力是难以达成的。唯一具备时间服务能力的科研机构，只有徐家汇观象台，它曾经拥有精密的测时和授时设备。在1926年和1933年的两次国际经度联测中，它与北非的阿尔及尔和美国圣地亚哥一起构成巨大的等边三角形，被选为全球的3个“基本点”。但时隔多年，这些设备都已经老化损坏。


新中国成立之初，各方面的大型建设都需要精密地图，而地图测绘，又要依靠标准的世界时。1955年，王绶琯奉调从紫金山天文台到徐家汇来主持时间工作。1956年就引进了新式的测时设备，1957年引进大型石英钟之后，播时精度达到国际先进水平。当年中国科学院召开时间工作会议，肯定了当前的时间发播已经可用，但由于徐家汇观象台位于中国东隅，西部地区很难收到发播的时间讯号，要求在中部地区新建大型授时台。另外，世界时不能依靠国外的服务，要建立独立自主的中国综合世界时。


前一个任务，后来就在西安附近建立陕西天文台（现在的中国科学院国家授时中心），负责向全国发播时号。后一个任务，就由叶叔华承担。1958年，叶叔华小组开始了综合世界时的试验。




当时，世界上最好的时间服务单位主要有两家，一家是总部位于巴黎的国际时间局，通过世界各国的39个天文台合作建立起世界时系统，是全球通用的标准。另一家是苏联建立的标准时刻系统，由14个天文台合作提供服务。多个天文台合作，可以增加观测量，并且抵消许多误差，我国当时只有上海、南京有测时观测，这就意味着已有的测时算法不能直接套用，中国需要自行设计提供时间服务的方案。


为了找到适用于中国的综合世界时的数据处理方法，叶叔华小组经过半年多的努力，终于找到了凭借两个天文台观测，仍能保持时间系统长期稳定的方法。此后，共有5个天文台陆续增加天文测时工作，中国的世界时系统日益加强。


1963年，中国的世界时系统精度开始达到国际先进水平，超越了苏联的标准时刻系统，居于世界第二位。1965年，这一系统通过国家鉴定，1965年底正式作为中国的时间基准，它就是我们今天使用的“北京时间”。


着眼射电天文领域


处于航天时代早期的人们怀着极大的热情探索宇宙，在苏联完成人类历史上第一次载人航天仅仅8年之后，美国就把宇航员送上了月球。航天领域的需求，以及物理学的进步，带动了天文学特别是射电天文学的发展。


1970年，叶叔华在查阅国外天文学进展的文献资料时发现，诞生于1967年的“甚长基线干涉测量”（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）正在成为一种新兴的测量方法。VLBI的原理，是使用多个射电望远镜观测同一个天体，由于使用高精度的原子钟，各个望远镜可以相距很远，再对这些望远镜的数据进行处理，虚拟出一个口径相当于这些望远镜之间距离的巨型望远镜。




叶叔华提出在上海、乌鲁木齐和昆明各建一台25米口径的射电望远镜，组成三角网，可以在天文研究上发挥重大作用，得到了中国科学院的支持。作为试验，中国科学院上海天文台1979年建成了一台6米口径的射电望远镜，与德国的口径100米射电望远镜联测，欧亚大陆首次甚长基线射电观测获得成功。1981年10月，叶叔华就任上海天文台台长，VLBI项目也正式启动。为了这个计划，叶叔华到当时的第四机械工业部询问一位处长，能否建造口径25米的射电望远镜，却被一口否决。


被拒绝的叶叔华在原地站了15分钟，最终见到了第四机械工业部的部长，得到了支持这一项目的承诺。1987年，这台新的射电望远镜落成并投入使用，使上海天文台在射电天文学领域的实力有了长足进步。




由于经费不足，在1994年建成乌鲁木齐25米射电望远镜之后，原定建在昆明的25米射电望远镜只能作罢。


当时间进入21世纪，中国酝酿已久的“嫦娥”探月工程终于提上议事日程。但对“嫦娥一号”月球探测器从直飞变为绕月球飞行变轨时机的把握，成为这项航天计划的难点之一。按照计划，探测器在飞向月球的过程中会进行变轨。而在变轨之前与变轨之后，探月工程团队需要非常精确地测定探测器所处的位置，以便计算出它的运行轨道。叶叔华和上海天文台共同建议，利用VLBI网络承担“嫦娥一号”的轨道测量任务，这成为探月工程取得“开门红”的重要技术保障。




中国的VLBI网络由4台射电望远镜组成：北京的50米口径射电望远镜，云南昆明的40米口径射电望远镜，以及上海和新疆乌鲁木齐各一台25米口径射电望远镜。此外，还有设在上海的数据处理中心，对4台望远镜获取的信息进行运算。如果拿一张中国地图简单画上几笔，我们会发现这些望远镜在中国广袤的土地上，围出了一个风筝般的四边形。上海和乌鲁木齐之间的距离，使这个网络的观测效果相当于一台口径高达3200千米的巨型射电望远镜，对天体有着极高的测量精度。


在“嫦娥一号”圆满完成任务之后，上海市领导会见该项目有关人员，上海天文台台长和叶叔华参加会议，叶叔华借此机会，促成了中国科学院和上海市合建65米口径射电望远镜计划，仅用4年时间，完成65米望远镜建设，赶上“嫦娥二号”和后续的任务，那就是在探月之后继续向深空挺进，探测距离地球约700万千米的小行星“图塔蒂斯”，（地球到月球的距离大约为38.4万千米） 并在随后的“嫦娥三号”月面软着陆任务中再立新功。




2015年美国“新地平线号”探测器抵达冥王星附近的时候，上海天文台的团队用65米天线网络测定了该探测器与地球之间的距离，该天线网络可服务于未来的深空探测任务，为前往比月球更远的火星、小行星带和木星等天体，乃至太阳系边缘地带的探测器“保驾护航”。




耄耋高龄耕耘不辍


为了纪念叶叔华对中国和世界天文学发展的贡献，1997年，南京紫金山天文台将第3241号小行星命名为“叶叔华星”。从她和她的团队发力射电天文学领域开始，经过几十年的发展，中国的射电天文学水平也取得了巨大的进步，叶叔华和她的团队也参与到多个国际合作项目之中。




开始于20世纪末的“平方公里阵列射电天文望远镜”（The Square Kilometre Array，SKA）项目，无疑是这些合作中分量最重的一项。这项当今世界规模最大的天文合作项目，将揭开一些天文学领域最大的谜团，比如宇宙诞生之初的样貌、最早一批星系的演化过程，以及地外文明存在的可能性等。叶叔华希望，中国作为SKA的7个原始发起国之一，能够在项目中扮演更重要的角色。




SKA是一个规模惊人的射电望远镜阵列，包括大约2500面口径15米反射面天线和100多万个低频天线。这个项目的总部位于英国，所有的射电望远镜则主要分布在两个“台址”，一个是位于澳大利亚西部的莫奇森地区，但有一部分天线会设在澳大利亚的其他地方，以及新西兰；另一个位于南非的卡鲁盆地，但也有一部分天线分布在博茨瓦纳、赞比亚、纳米比亚、莫桑比克、马达加斯加、毛里求斯、肯尼亚、加纳等8个非洲南部的国家。这些射电望远镜接收到观测信号之后，会将数据传输到各个区域中心；而后区域中心再将数据分发给各地的天文学家。




叶叔华希望，SKA可以在上海建造亚洲地区的科学数据中心。这是因为，SKA所有的射电望远镜，大约会在2027年完全建成并开始试运行。此时，这些望远镜每年会输出600PB（1PB=1024TB）的数据。2030年开始正式运行后，产生的数据量则有可能10倍于此。按照计划，SKA的运行大约会持续到2070年，会产生多大的数据量可想而知。所以，如果将SKA的亚洲地区科学数据中心设在中国，就可以吸引世界各国的科研人员共同参与研究，实现中国天文学研究的飞跃。




中国其他城市的天文台和大学也可以设立所需的数据中心，使各地的研究者能够用好SKA产生的巨量数据，以取得更好的研究结果。如果未来的学者能在物理研究的热点领域，比如宇宙起源、引力波、引力本质、暗物质和暗能量等方面取得突破，便很有可能会诞生一批“诺贝尔奖”级的新理论、新成果。






叶叔华的另一项愿望，则是将她开启的中国VLBI网络延伸到太空。她认为，以中国的航天技术实力，在不久的将来，完全能够在距离地球9000千米的太空，建造两台30米口径的射电望远镜。而这两台望远镜，可以跟地面上的各个大型射电望远镜，特别是中国拥有的世界上最大的射电望远镜FAST进行组合，乃至与SKA组合起来。当然，它们也可以“自成一格”，构成一个新的VLBI网络，在没有地面电磁干扰的太空中，向宇宙深处进行探测。




如今，年逾九旬的叶叔华仍然坚守在天文台。在她看来，尽管中国的射电天文学已经取得了长足的进步，建成了像FAST那样的伟大科学工程，但天文学界并不应该满足于此。她希望通过自己的努力为青年学者搭建起继续探索的舞台，让中国在天文学中更多的研究方向上实现国际领先。


叶叔华也很重视科普工作，她曾向上海市领导建议在上海建天文馆。这个馆既展示地球、月亮、太阳等的基本知识，更要介绍最新的天文研究与发现，是一个世界级的大型天文馆。


（本文节选自图书《大美·中国女科学家》，《知识就是力量》杂志社策划）