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中科院天文大科学中心:回眸亿年 遥指千河

时间:2019-05-28来源:中国科学报


星空下的LAMOST望远镜     中科院国家天文台供图

■本报记者 丁佳

“嘟、嘟、嘟……”

此曲只应天上有,人间能得几回闻。2017年10月10日,在500米口径球面射电望远镜(FAST)首批成果新闻发布会上,时任FAST项目科学家李菂演奏了一曲名副其实的“天籁”——那是来自宇宙的心跳,也是我国射电望远镜发现的第一颗脉冲星。

这是足以载入中国天文历史的一刻。而在此之后,FAST迈入了批量发现脉冲星的时代。

时至今日,FAST已探测到91颗优质脉冲星候选体,其中65颗已经得到认证,包括迄今为止流量最暗弱的毫秒脉冲星。

如今的FAST可谓家喻户晓。但很少有人知道,在背后默默支撑、耕耘,并结出这一个个重大成果的,是一个叫做中国科学院天文大科学研究中心(以下简称天文大科学中心)的创新平台。

第二次抉择

从古至今,灿烂的星空一直是人类的向往。天文学也是中国古代最为发达的自然科学之一。但随着近代中国的闭关锁国、与近现代科技的失之交臂,这一颗颗璀璨的明珠,渐渐被世人所淡忘。

1949年,与新中国一同成立的中科院,重新整合了国内的天文观测力量。2001年,形成了由国家天文台(含总部、云南天文台、南京天文光学技术研究所新疆天文台、长春人造卫星观测站)、紫金山天文台、上海天文台组成的中科院天文台系统架构,带动了中国天文学的快速发展。

历经几十年的发展,中科院天文台系统各单位都为中国天文学的重新崛起,作出了不可磨灭的贡献。郭守敬望远镜(LAMOST)、FAST、65米天马望远镜、13。7米毫米波望远镜、1米太阳塔……一台台具有自主知识产权的先进天文观测设施在中华大地拔地而起,中国天文,也终于能在国际舞台上拥有一席之地。

尽管这样,中国天文人所面临的发展危机,却似乎从未远去。

“几家天文台之间有一个台长联席会议,来讨论、协商中科院天文领域的公共、共性事项。”中科院天文大科学中心主任、国家天文台党委书记、LAMOST科学委员会主任赵刚坦言,“可在当时,并没有形成常态化机制。作为一个学科整体,中科院各天文单位仍缺乏统筹管理的资源和制度支持。”

赵刚的这种感觉来源于天文学科的特殊性。

在很多人脑海中,一提起天文学,似乎就会浮现出“一壶清酒,仰望星空”的诗意画面。其实不然,近十几年来,天文学竞争的胶着点,早已变成了天文观测装置的竞争。

作为一门实验科学,随着重大天文观测装置不断更新换代,国际主流的先进天文研究模式已进入大科学研究时代,即依托重大天文观测装置的前沿科学与技术研究,不断催生重大天文发现,不断革新人类对宇宙的认识。

据统计,近年来最重要的研究成果,绝大部分来自于依托重大天文观测装置的观测研究。2009年至2013年,国际天文领域发表的论文按照被引频次排序,前0。1%的论文中绝大多数(81%)都是基于重大天文观测装置完成的。

“世界各国不惜耗资数亿乃至数十亿美元建造各类重大地面和空间天文观测设施,以追求更高灵敏度、更高空间/时间/谱分辨率和更大视场。”天文大科学中心副主任、紫金山天文台台长常进评论道,“简单来说,谁想比别人看得更多、更远、更暗、更清,谁就得拥有更先进、更灵敏的望远镜。天文学的确变得越来越贵,越来越依赖于大装置,这就是这个学科的特点。”

“天文观测对时域、空间域以及基线长度的要求,使得天文学成为合作交流互动性最强、国际化程度最高的学科之一。现代天文观测装置,造价昂贵、技术先进、系统复杂,并在全球范围寻找最优观测台址进行建设。”天文大科学中心副主任、上海天文台台长沈志强介绍了国际合作对于天文学科的特殊意义。“以人类捕获首张黑洞照片为例,我国就是通过国际合作参与的观测。而天文大科学中心是我国参与该项国际合作的重要资助渠道之一。”

然而,因为历史的原因和体制机制的限制,国家天文台、紫金山天文台和上海天文台都是独立法人单位,在无形之中筑起了一道道藩篱。

“一个单位实行包括自身在内的统筹管理,既是运动员又是裁判员。”

“各单位相对独立谋划未来发展,缺少统筹整体规划和顶层设计。”

“人财物资源相对分散,没有形成共享,影响集中力量办大事。”

“每个装置都有一套各自独立的运行维护队伍,其实力也不尽均衡。”

“部分技术研发平台,各单位间低水平重复建设、重复购置情况屡有发生。”

“装置、平台、科研相互间结合不够紧密,难以形成统一的有机创新链条。”

……

随着时间的推移,各种各样的质疑、问题接踵而来,天文学家愈发感到,再也无法躺在功劳簿上睡大觉,他们,必须要再一次做出抉择。

“天文台系统的力量联合起来”

“改革是现实挑战,也是发展机遇。挑战不容回避,机遇稍纵即逝。”在2014年的一次会议上,中科院院长白春礼向全院发出号召——

不改革就没有“出路”,不突破就难以“率先”!

2014年,中科院启动实施“率先行动”计划,通过在体制机制和政策制度安排方面的科学部署,拉开了研究所分类改革的序幕。得到这个消息后,国家天文台、紫金山天文台、上海天文台的负责人第一时间积极响应,讨论改革方案。

2015年3月13日,中科院院长办公会批准启动天文大科学中心筹备工作,并成立筹备组,中科院时任副院长王恩哥任组长,中科院机关相关部门工作人员与天文领域人员为筹备组成员。

他们面临的第一个问题就是,究竟建设哪类机构更合适。

“一开始直觉的目标是卓越中心,因为天文学是一门很前沿的科学。”国家天文台台长助理、基础科研部主任薛艳杰说,“但后来大家一致认为,天文学不仅仅是理论研究,科学研究正越来越依赖于大科学装置;而学科的长远发展也不能单纯依靠研究所传统的PI制。卓越中心的定位,其实并不最为契合我们的需求。”

纵观全球,天文学较为先进的国家和科研机构基本都是采用成熟的大科学中心模式,拥有一套统筹科学发展和高效运行管理的机制,若干一流大科学装置组成的功能强大的分布式观测网络,以及一流的运行维护、技术研发、科学研究团队,这些要素间紧密衔接。

“这种模式有利于观测装置和设备的科学有序发展及高效开放运行,进而成为重大天文发现的发源地、尖端观测技术方法的孵化器、学科跨越发展的推动力。”天文大科学中心综合管理部主任、战略规划办公室主任赵冰说。

以欧洲南方天文台为例,其总部设在德国,主要观测设施分布于智利的拉西拉、帕瑞纳、诺德查南托、塞鲁阿玛逊斯等台站。通过组织欧洲各国政府的合作,欧南台实现了人力、财力、物力、技术、专长等资源的统筹整合和配置,设计、建造了多个全球领先的地基天文观测设施。该机构统筹和代表欧洲天文界进行国际合作,协调、吸纳世界创新资源,如领导欧洲极大望远镜、联合领导世界最大毫米波/亚毫米波阵列等项目。最终,通过一系列举措,欧洲南方天文台成功支撑欧洲天文学家达到了“天文学新高度”,与欧洲核子研究中心、欧洲航天局一并,被誉为振兴欧洲科技的三大体制创举。

薛艳杰认为,大科学中心的模式对中科院这几家天文单位是合适的。“早前几家单位力量分散,不能形成大的合力。必须建立一种机制,把院内天文口的力量联合起来,在有限资源支持的情况下,集中力量办大事。”

对此提议,三家单位一拍即合。

但是,四类机构的筹备,是一场存量改革。原有的三个天文台仍然保留实体,新成立的中心则作为非法人单位运行。

“既不干涉各自内部的事情,又要有一个平台、一个机制让大家坐在一起,‘共商共议’天文领域的重大事项,决不是‘为改革而改革’,而是真正发挥大家对它期望的作用。”赵冰说。

“大家对它期望的作用”很快就显现出来。几年前,国家重点研发计划“大科学装置前沿研究”重点专项征询天文学界的意见,天文大科学中心承担了统筹组织的功能。该重点凝练哪些方向、优先支持哪些项目,大家通过讨论达成了共识。

“如果没有这个平台,能够想象,这样的项目很快就会演变成‘你争我抢’的局面。”薛艳杰坦言,“但我们整个讨论过程都很平和,大家都觉得,重要的工作得到了支持。”

通过一个个实实在在的项目,天文大科学中心渐渐得到了天文学家和科技管理者的信任。而这份信任,甚至跨越了部门的天然隔离——不管是中科院内部,还是全国高校的天文科研力量,只要有需要协商的事,都可以提出由天文大科学中心提供支撑。

2017年10月23日,天文大科学中心建设试点工作专家组验收会议召开。专家组一致认为,中心战略定位准确,领域方向布局合理,全面完成了试点建设目标,同意通过验收。

随后,经中科院第13次院长办公会评议,天文大科学中心通过验收。至此,历经两年多的筹建,天文大科学中心终于进入正式运行阶段。


 

FAST全貌

“5+2”的力量

天文大科学中心不断探索对中科院天文领域重大事项实现“五统筹、两共享”的机制。“五统筹”是统筹配置队伍资源条件、统筹制定重大装置规划、统筹组织重大前沿研究、统筹运行重大观测装置、统筹发展重大技术平台,“两共享”是观测装置和技术平台高效开放共享。

这种治理结构和工作机制,在很大程度上使我国天文领域的重大事项和相关顶层布局设计得以协调。

在装置方面,天文大科学中心将分布我国各地运行、在建和规划的重大天文观测装置与我国参与运行和建设的国际先进望远镜相结合,分别组织形成了光学/红外、射电、太阳、天力天测四大装置集群。

每个装置集群统筹运行,发挥各自的集群优势;同时各装置集群又能联合作战,形成多波段的互补优势,支撑重大天文前沿研究。

以对“中国科学院天文台站设备更新及重大仪器设备运行专项经费(天文财政专项)”的管理为例,中心更加强化科学目标导向,更加侧重共识度高、全局性和广泛性强的重大需求,加强绩效考评。赵刚说:“这是我们几位台领导的一致共识。”

“统筹协调不是‘撒胡椒面’。”赵冰对运行绩效评估进行了解释。“对运行效果好、科学产出多的装置,支持强度会大幅提升;对效果不好、产出欠理想的装置,则及时转为教学、科普等其他用途,通过‘关停并转’,不再由天文财政专项予以支持。总的原则就是要实现资源向重大成果产出倾斜,确保资金使用效益。”

在人才队伍建设方面,天文大科学中心充分利用各类人才计划,通过引进和培养相结合,逐渐组建起一支结构合理的高水平科研、技术、运维和管理团队。

在FAST 调试核心组,姜鹏、潘高峰、岳友岭、钱磊……众多青年人才,获得了天文大科学中心FAST高端用户计划优秀骨干、特聘青年研究员项目的支持,也在改革的过程中加速成长。姜鹏现任FAST总工程师。

LAMOST高端用户计划优秀骨干、特聘青年研究员赵景昆、刘超、李海宁、苑海波、李荫碧、邢千帆、闫宏亮、黄样、向茂盛……实现着LAMOST的科学突破。

“我们自己的团队里其实有很多优秀的技术人员,他们主要负责的是科学数据与装置之间的衔接。”LAMOST运行和发展中心副主任、办公室主任王丹说,“这部分人的工作实际上特别关键,但长期以来都在‘为别人做嫁衣’,成绩很难得到体现。”

更何况,由于体制机制的限制,国家重大科技基础设施、大科学工程、空间科学卫星项目运行费中的人员经费严重不足。FAST电磁环境保护中心主任、工程办公室副主任张海燕补充,“这使得部分技术人员的收入偏低,不利于保持运行维护和技术支撑人员的积极性和稳定性。”

天文大科学中心综合管理部办公室主任田斌从另一个角度坦言,“围绕大科学装置工作的科研人员还有个特点,就是做出了非常核心的贡献,但翻开简历,却发现他们在发表论文数量上很吃亏。”

为了改变这一状况,天文大科学中心成了打破“四唯”的探索者。在推荐国家和院级相关人才计划时,推优的原则之一,就是向对大装置建设、运行做出重要支撑和贡献的骨干人才予以倾斜。

此举受到了科研人员的欢迎。李菂认为,天文大科学中心通过设立相应的人才计划,对这部分人给予倾斜支持,不仅提高了其收入,更提升了其荣誉感和归属感,对团结稳定队伍起到了关键作用。而姜鹏则感到,天文大科学中心在相关领域科技人才的储备方面发挥了重要作用。

FAST工程原首席科学家兼总工程师南仁东(左三)等人在工程现场。


 

科研人员在LAMOST镜面前合影。

大中心 干大事

4月30日凌晨,《自然—天文》在线发表了国家天文台领导的中日合作研究重大成果,利用LAMOST强大的巡天能力,在银河系中发现了一颗重元素(包括银、铕、金、铀等)含量超高的恒星起源自被银河系瓦解的矮星系,首次揭示了这类稀有恒星的吸积起源,深化了对重元素产生机制的认识,为基于恒星化学成分识别来自附近矮星系的恒星提供了重要线索。

近年来,LAMOST呈现出爆发式、井喷式科研产出态势,给银河系“重新画像”、“星海拾珍”搜寻奇异天体、捕获来自遥远宇宙的信息……

从2003年起即担任LAMOST项目总经理,中科院国家天文台研究员赵永恒的感情是复杂的——

“虽然我们的本职工作重点之一是高效、稳定运行和维护望远镜,但只满足于运行好远远不够,还要吸引、鼓励更多科学家用户都来使用我们的数据做研究。否则即使是块金子,没人知道也会蒙尘的。”

在中科院的支持下,天文大科学中心实施了特聘客座研究员计划,聘请国内外顶尖天文学家,围绕中心装置建设、运行和研究开展深度合作。中心还实施了高端用户计划冠名教授、杰出学者项目,吸引国内外高水平用户,带领团队深入开展基于LAMOST、FAST等的相关科学和技术研究。

截至目前,中国、美国、德国、比利时、丹麦等国家和地区的124所科研机构和大学的769位用户利用LAMOST数据开展研究工作,共计发表438篇有显示度的SCI科研论文,引用4200余次,取得了一系列有影响力的研究成果。

在天文大科学中心的“加持”下,装置集群观测能力大幅提升,重大科学成果不断涌现,开放共享服务更加高效:

——2019年4月,FAST项目通过中科院组织的工艺鉴定和验收。专家组一致认定,望远镜的灵敏度水平已经显著领先国际上其他望远镜,实现了我国射电天文望远镜由追赶到领先的跨越,对促进我国在相关学科实现重大原创突破具有重要意义。建安、设备、档案、财务4个专业组的验收工作将于5月底完成。此外,FAST已于4月开始利用试开放的形式向国内天文学家开放观测时间。FAST预计9月完成国家验收,并将向国内外天文学家正式开放;

——2017年11月,暗物质卫星“悟空”获得世界上最精确的TeV电子宇宙射线能谱,不但拓展了科学家观察宇宙的窗口,而且对于判定部分电子宇宙射线是否来自于暗物质起着关键作用。

……

“其实,LAMOST刚建成的那几年,我们的压力是很大的。”赵永恒感慨,“对比来看,这几年的成果可以说是爆发性的。这充分说明,把数据放在那儿等别人去发现,跟主动组织大家一起来做事,效果是截然不同的。”

经过4年的筹建和运行,中科院天文大科学中心已经发展成为中国天文学界的一个品牌。面向未来,天文大科学中心将继续探索有利于促进重大成果产出和高效开放共享的新机制,成为重大天文发现的发源地和重要天文技术的突破者,为建成特色鲜明、国际著名的天文大科学研究中心而不断前行。

“我国天文学科布局中,中科院具有‘设备集中、领域集中、队伍集中’的特点,是代表国家水平的天文研究‘国家队’以及引领我国天文学科发展的‘火车头’。”赵刚说,“在中国向天文强国努力发展的道路上,天文大科学中心将肩负起引领我国天文事业跨越发展的使命,这也是我们义不容辞的责任。”

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