专访天文奇才James Gunn:为何能在观测、理论、仪器同时取得瞩目成就 | 赛先生天文-深度-知识分子

专访天文奇才James Gunn:为何能在观测、理论、仪器同时取得瞩目成就 | 赛先生天文

2020/10/29
导读
Gunn:要是一开始就知道要花那么多钱,估计斯隆巡天项目也不会得到资助了!

普林斯顿大学的天文学家James Gunn今年82岁了。黑框眼镜,花白胡须,思维敏捷,谈吐谦逊。这位每天忙得不亦乐乎,工作间隙还要给家里洗衣机通下水道的科学家,是天文界公认的奇才。研究天文的人,能同时涉足观测、理论、仪器的已经不多,在三大领域里都取得瞩目成就的就更是凤毛麟角了。而Gunn就是这样的一个人,可谓天文界的“大三通”。


1965年,他和加州理工的研究生同学Bruce Peterson共同预言了Gunn-Peterson效应的存在,用遥远类星体光谱中缺失的中性氢谱线来限定宇宙第一丝曙光的出现。后来,Gunn主持设计和建造了斯隆数字巡天项目,用图像和光谱观测精确绘制了星系世界的整体面貌,并在2001年首次用斯隆巡天找到了与Gunn-Peterson效应对应的类星体。


2020年9月,他通过Zoom接受了《赛先生》特约记者辛玲的专访。采访文字分上下两篇 ,上篇主要谈他的成长经历和斯隆巡天的由来与趣事,下篇则聚焦中国天文及天文学未来发展的主要挑战。此为上篇。


普林斯顿大学天文学家James E. Gunn (2019年摄)



撰    文 | 辛    玲

责    编 | 韩越扬  吕浩然


●        ●       


Q

您是如何在天文理论、观测和仪器这三个领域都做得如此出色的?

Gunn:大家都喜欢问我这个问题,但我一般回答不好(笑)。我觉得主要应该感谢我父亲。他是个常年出野外的地质学家,为一家石油公司工作,二战期间带着几个人用重力计四处找石油。哪里显示重力有异常,就说明脚下的岩石密度不一样,那里就可能埋着石油。他们用的仪器在当时是高度复杂的,战争期间也弄不到配件,坏了只能自己修。所以我父亲既是理论家,又是机修工,既要造仪器,又要做所有的地质观测。我是他的亲儿子(笑),因为他,我从小就对仪器和制造特别感兴趣。后来的发展就是自然而然了,我觉得自己没在这方面特别努力过。


Q

除了父亲,还有哪些人对您影响比较深?

Gunn:现在回想起来主要是老师们的影响。高中数学老师沙利文(Ed Sullivan)可能是对我影响最大的一个。上大学以后,我们学校(译者注:莱斯大学,美国顶尖私立大学之一,位于德州休斯顿市郊)应用数学教授道格拉斯(Jim Douglas)对数值方法感兴趣,对我影响很深。当时的计算机是极其原始的那种。还有就是大一教我们物理课的罗夏老师(Bud Rorschach)。这两位老师看我多少有些潜力,都很支持我。

 

还有就是著作的影响。比如我在英国剑桥天文研究所访学时对弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)有了初步了解。虽然从小就喜欢天文,其实我一直不知道天文学家究竟做些什么。霍伊尔的书清楚地告诉我天文研究具体要做哪些工作。

 

我还想提一点,就是我们高中有个女老师教新闻写作教得特别好。那门课我学得还挺好的,但估计没你好。当时真是犹豫了很久要不要走写作这条路。这位女老师对我的影响也挺大。  


Q

您在普林斯顿大学和加州理工学院的同事呢?您有一篇弱引力透镜的文章特别感谢了费曼。这背后有什么有趣的故事吗?

Gunn:确实有个好玩的故事。我在加州理工读博士时,物理系和天文系的人走得很近。我对相对论和引力透镜很感兴趣,而引力透镜在当时是个新的研究领域。我听说费曼(Richard Feynman)最近也在搞相对论,就想去找他聊一聊。

 

到了我们约好的见面时间,我敲开了他办公室的门。我手臂下面夹着一叠计算机打印纸,那个时候的打印纸特别大,我很喜欢用它们来做计算,因为面积够大不用老换页。结果费曼看到了,差点直接把我扔出去。因为他厌恶计算机,认为计算机会导致人类不再思考。他还以为我要跟他讨论计算机程序!其实我是要给他看纸上的笔记。解释清楚后就好了,我们进行了愉快的讨论。后来我还去找过费曼几次,他还是我博士毕业考试委员会的成员。他问的问题都很有水平,还好我都答上来了。


Q

您好像没有发表过您的博士论文?

Gunn:是的。大概在我写完博士论文后一年半,吉姆·皮布尔斯(译者注:Jim Peebles,2019年诺贝尔物理奖得主)发表了他第一篇关于星系两点相关函数(two-point correlation function of galaxies)的论文。他的文章回答了这样一个问题:“如果宇宙中某个位置有个星系,那么在附近发现另一个星系的可能性有多大?”这个函数叫做两点相关函数,符合幂次定律。而这也正是我博士论文研究的问题。当时为了简化计算,我假设它是一个高斯函数(Gaussian)或几个高斯函数之和。直到皮布尔斯发表了论文以后我才意识到,把我的高斯函数叠加起来就构成了幂次定律,和皮布尔斯的结论一模一样。这是皮布尔斯最著名的成果之一,而我本可以在他之前发表。  


Q

您为斯隆数字巡天项目(Sloan Digital Sky Survey, SDSS)做出了极其关键的贡献。您的灵感来自于何处?

Gunn:CCD相机被引入天文学后我就一直关注它们。它们尺寸很小,只能对很小的一片天区成像,而我始终想做巡天。我们也试了几个巡天项目,比如和荷兰人施密德(Maarten Schmidt)合作的高红移类星体巡天,但当时的设备明显还是太小了。

1983年,James Gunn与荷兰天文学家施密德(Maarten Schmidt)在海尔望远镜的观测室用四摄像头的相机通过巡天寻找高红移类星体。


1986年,我跟加州理工的同事韦斯特法尔(Jim Westphal)一起研究后来用在哈勃望远镜上的宽视场相机。其中最重要的部分之一就是CCD相机,而CCD相机技术此前从来没有在空间使用过。为此,我和韦斯特法尔钻研了很多技术,也认识了一些工业界的人。有一次,泰克公司一个叫布劳克(Morley Blouke)的人来到韦斯特法尔的办公室,向我俩展示了他最新研制的边长为2.5英寸(6.35厘米)的CCD相机,我立刻意识到这种技术要火。布劳克后来研发了哈勃上的CCD相机。


我开始想怎么能把这种CCD用到巡天上,因为它对大天区成像和光谱成像都是非常理想的器材。斯隆的想法从那时开始形成。不久后,基特峰天文台(Kitt Peak Observatory)举办了一场研讨会,请大家商量来怎么使用他们新买的3.5米口径的望远镜。在开会时,我意识到这种轻型高技术望远镜与CCD相机简直是为了巡天而生的天作之合。然后我花了整整一年时间思考怎么进行光学设计、光谱仪设计等,斯隆的想法也逐渐成熟起来。


Q

开始时,您把斯隆的成本低估了至少一个数量级。这是为什么?

Gunn:因为我很傻(大笑)!科学家做成本预测都不太靠谱,因为没有接受过专业训练。斯隆的每一项成本都比我们估计的要高。比如CCD相机,泰克公司本来估了一个成本价,但后来研发投入大大增加,我们最终购买时的价格是估算的三倍。望远镜的购买价格是估算价的两倍。最傻的一点是我们以为一些关键工作,包括软件开发、文档处理等,都会由参加斯隆研发的大学科研人员和研究生们免费完成。我们天真地以为斯隆的工作这么有趣,大家肯定会去做——现在想想挺好笑。后来我们必须花钱雇人去做这些事,而人力是很贵的。还有一点,就是斯隆的研发周期大大超出我们的想象。我们以为两三年就可以上天了,结果花了十年。斯隆是个前所未有的项目,所以很容易在资金和时间上做出错误估计。

 

但是我觉得算错成本有一点好处。要是一开始就知道要花那么多钱,估计这项目也不会得到资助了(笑)


Q

在斯隆的设计过程中,科学家和工程师们有没有矛盾?

Gunn:矛盾一直都有,需要寻找平衡。科学家们总想做更多更好的科学,而工程师们求稳,只想做确定能做成的事。其实斯隆还有另外一个贯穿始终的问题,就是大学和国家实验室做事的方式非常不同,两者的“文化冲突”不时上演,有时还到了相当难看(nasty)的程度。好在我们克服了这些困难。


斯隆CCD研发组主要成员,左起:James Gunn, Connie Rockosi, Mike Carr。相机包括8个CCD恒温器(黑盒子)和54个由泰克公司研发的大型CCD。


Q

您主要在普林斯顿大学和加州理工学院工作,这两所大学的天文系都是世界顶尖的。您觉得它们的主要区别在哪里?

Gunn:区别相当大。很多年来普林斯顿天文系都是以理论研究为主。而加州理工的天文系是因建造海尔望远镜(Hale Telescope)而诞生的。大家都知道,天文学家海尔先是在卡内基研究所的资助下建成了威尔逊天文台。后来,他从洛克菲勒集团筹到建设海尔望远镜的钱,但因为卡内基和洛克菲勒这两个有钱人互相不对付,所以海尔望远镜不能在威尔逊天文台安家。那时,离大名鼎鼎的威尔逊天文台不远的帕萨迪纳镇上有个小小的、名不见经传的技术学院,叫加州理工学院。海尔决定在加州理工学院创建天文系,主持海尔望远镜的建造工作。加州理工的天文系就是这样来的,带有一定政治色彩,也从一开始就更注重观测。当然,后来普林斯顿的观测也获得了长足的进步,其中就有斯隆的功劳。另外我觉得加州理工的政治气息和压力都比普林斯顿大得多。


Q

您对近年来天文学的发展满意吗?


Gunn:非常满意。我对斯隆巡天取得的成就极其欣喜,天文学整个领域的发展也令人惊叹。上世纪六十年代我刚开始做天文的时候,我们对宇宙距离的认识仍不确定,不同天文学家给的答案有两倍的差别,宇宙的年龄也是如此。现在呢?大家在为百分之一的精度而争论不休 。可见我们对问题的认识大大地进步了。当然,完全不懂的事情还是有很多。可以说,我们每做出一个新发现,就能问出两个新问题,这个始终没变。


另外一个巨大的进步——我认为斯隆是主要推动力之一——就是天文研究的合作性大大加强了。我刚开始做天文时,天文学家基本都是各自为政。找个望远镜观测若干晚上,获得数据,把数据带回家自己慢慢分析。即使是合作,也最多和一两个人合作,就像一个个孤岛。而斯隆巡天表明:天文需要不同技术、不同视角、不同能力的人聚集到一起来做,而且是越开放越好,因为对数据保密的话别人就没法帮助你了。从一开始,斯隆就全力推动这种开放性和合作关系,取得了很好的效果。我想,这一点或许比斯隆数据本身对天文学的贡献还要大。  


本文图片均由James Gunn提供。


参考文献

Finkbeiner, A. (2019). The Astronomer Who’d Rather Build Space Cameras. Quanta Magazine, retrieved on Oct. 3, 2020 from https://www.quantamagazine.org/jim-gunn-the-astronomer-whod-rather-build-space-cameras-20190418/#

Gunn, J. E. (2020). Jack of All. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 58: 1-25. Retrieved on Oct. 3, 2020 from https://www.annualreviews.org/doi/pdf/10.1146/annurev-astro-112119-041947

Wikipedia. James Gunn (astronomer). Retrieved on Oct. 3, 2020 from https://en.wikipedia.org/wiki/James_Gunn_(astronomer)


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