中大研發高性價比巡天系統 嚴人斌教授:填補天文數據空白

香港中文大學獲香港賽馬會慈善信託基金資助成立賽馬會「天文儀器」創科實驗室。實驗室總監嚴人斌教授表示,正在研發光譜巡天系統,以了解恆星形成區的物理性質及其反饋機制。

對蒼穹的探索是人類永恆的命題。為了解人類在宇宙中如何存在,在過去數十年間,天文學家開展了不同的普查項目,拍攝天體的影像、偵測光譜和研究不同星系之間的相似及不同之處。在這個過程中,天文儀器發揮着主導性作用。

香港中文大學獲香港賽馬會慈善信託基金(馬會)捐款5千萬,成立5個賽馬會創科實驗室,包括賽馬會「天文儀器」創科實驗室。該實驗室致力於設計及研發新型天文儀器,幫助天文學家採集更多數據,從更多緯度認識宇宙,由嚴人斌教授擔任實驗室總監。

嚴教授畢業於北京大學物理系,並於美國加州大學伯克萊分校獲天體物理學博士學位。及後,他在美國肯塔基大學獲得終身教職,並在普林斯頓大學訪學期間研發天文儀器。2021年,嚴教授加入香港中文大學,獲授予「傑出創科學人」的名銜。

作為巡天項目科學家,嚴教授曾主持全球最大的近鄰星系成像光譜巡天。他還帶領另一團隊建立了迄今最大規模的恆星光譜數據庫。他的研究證明溫度約10000K的溫熱電離氣體在年老星系中十分常見,並大大推動了對於這些氣體起源的研究。

香港賽馬會慈善信託基金捐款成立賽馬會「天文儀器」創科實驗室。
香港賽馬會慈善信託基金捐款成立賽馬會「天文儀器」創科實驗室。

儀器性價比與效率均顯著提高

目前,賽馬會「天文儀器」創科實驗室正在研發賽馬會光譜巡天系統。系統由多台高分辨率的成像光纖光譜儀及小型大視場望遠鏡組成,可以對銀河系和近鄰星系中的星際介質進行高空間分辨率和高光譜分辨率的大面積全面測繪,以了解恆星形成區的物理性質及其反饋機制。

賽馬會光譜巡天系統有着高性價比。「過去的光譜儀成本非常昂貴,一台的成本為幾百萬美元,而我們研發的光譜儀成本只需要數十萬美元。」據悉,新型光譜儀的性能達原有儀器的八成,但採集數據的效率是原有儀器的兩倍,由此大大提高了性價比。

據嚴人斌教授介紹,賽馬會光譜巡天系統的光譜儀採用了新型設計理念,通過減小光纖纖芯的直徑,減小了光譜儀的光束寬度。在這種情況下,普通的商用光學鏡頭也可以作為成像元件,減少了定製光學元件所需的成本。

嚴教授透露,未來團隊將批量生產此新型光譜儀,進一步降低成本。

嚴人斌教授為記者介紹防紫外光的眼鏡(左)和提供波長校準的弧光燈(右)。
嚴人斌教授為記者介紹防紫外光的眼鏡(左)和提供波長校準的弧光燈(右)。

有望填補天文數據空白

由於銀河系內的恆星誕生區域及鄰近星系在天空覆蓋面積較大,傳統的光譜儀只能觀測到很小的區域,無法了解整個恆星形成區的狀態。而通過使用新型成像光譜儀,研究團隊可以得到高質量的、覆蓋整個恆星形成區的光譜,由此獲得關於恆星形成區的密度、溫度、運動狀態等方面的數據。

此外,嚴人斌指出,現有的天文學研究或聚焦與恆星形成區的某一細微區域,或聚焦與整個廣闊的星系,「要麽太細緻,要麽太粗糙。」缺少了一光年至幾百光年的數據,而實驗室正在進行的研究可填補中間的天文數據的空白。

團隊計劃將研發出的光譜巡天系統置於中國西北部天氣較為晴朗的地區。據介紹,利用由100台光譜儀組成的陣列,團隊有望在4年內繪製出四分之一的全天域地圖。

實驗室掛着嚴人斌教授觀測銀河系的研究簡報。
實驗室掛着嚴人斌教授觀測銀河系的研究簡報。

天文學推動科技創新

將天文學與醫學連結起來,除了中國古代「天人合一」的思想外,現代也不乏其例,例如2011年,《科學》雜誌發布了一篇名為 Is There an Astronomer in the House? 的文章,其中提到哈佛大學的天文學家在處理恆星形成區的數據時遇到了一個難題,由於數據過於龐雜,無法使用電腦的二維平面系統進行可視化分析,但彼時天文學中沒有構造三維立體模型的工具。一位醫學工作者在了解了情況後,建議該天文學家嘗試用一個分析磁共振成像等數據的醫學電腦軟體。結果難題被成功化解。

無獨有偶,劍橋大學天文研究所的專家發現研究星系與星雲的軟件可以用於研究病理學上的細胞組織切片的染色分析。

談及天文學對人類的意義,嚴人斌教授認為,天文學作為一們基礎學科,在滿足人類的求知慾的同時,也能推動科技創新與發展,當前天文學研究的光纖技術在未來就可能被用於醫學成像儀器的研發。

嚴人斌教授寄語有志投身天文學的年輕人,要敢想敢做,努力追求自己的夢想。
嚴人斌教授寄語有志投身天文學的年輕人,要敢想敢做,努力追求自己的夢想。

鼓勵年輕人敢想敢做

天文學也可以激發青少年對科研的興趣。嚴人斌成長於北京。他回憶道,8歲那年在一次郊外露營時,他抬起頭看到了滿天繁星,此番壯麗的景象讓童年的他深感大自然的神奇,也勾起了他對探索宇宙的嚮往。

嚴人斌教授在接受灼見名家採訪時表示,感謝港府「傑出創科學人計劃」項目和賽馬會給予實驗室的支持,讓他可以投身基礎研究中,將新奇的想法落地成現實。

「技術的發展這麼快,現在看來很瘋狂的想法在幾十年後就有可能實現。」嚴人斌教授寄語道,有志投身天文學的年輕人要敢想敢做,努力追求自己的夢想。

本社編輯部