1888年的一个夜晚,梵高与同为印象派画家的好友保罗·高更大吵一架后,主动住进了圣雷米疗养馆。每晚隔着窗户眺望夜空的他,在一个月后创作了著名的《星空》。
如果说梵高用旋转的星云、流动的光线表达内心世界的挣扎和宇宙的浪漫,理工男冯毅正带领团队用人工智能和算法破解宇宙密码。
不久前,第十三届“浙江青年五四奖章”名单正式公布,之江实验室天文计算研究中心研究专家冯毅上榜。 投身天体物理学研究近10年的他,揭开了来自宇宙深处的神秘信号“快速射电暴”的冰山一角。
之江实验室天文计算研究中心研究专家冯毅
来自宇宙的“神秘信号”
每天爆发12万次,每次持续时间只有1‰秒,比人眨眼睛还要快几百倍,但每次释放的能量却比太阳一年释放的能量还要高得多。这种神秘的宇宙现象就是快速射电暴(Fast Radio Bursts,简称 FRB)。
2007 年,美国西弗吉尼亚大学的邓肯・洛里默(Duncan Lorimer)及其学生大卫・纳克维奇(David Narkevic)在重新审视澳大利亚帕克斯(Parkes)射电望远镜的脉冲星巡天存档数据时,发现了一个来自宇宙深处的强烈而短暂的射电脉冲信号 ,这个信号被命名为 “洛里默暴(Lorimer Burst)”,也就是人类首次确认的快速射电暴 ——FRB 010724。不过由于当时数据有限,科学家们对这个神秘信号充满了疑惑。
因为起源和演化是个谜,在浩瀚无垠、神秘莫测的宇宙中快速射电暴是最令人费解的奥秘之一。冯毅的工作就是研究这些来自宇宙深处的神秘信号。
“如果能搞清楚快速射电暴为什么能产生这么高能量,未来有可能为人类解决这个能源危机。”
在冯毅看来,做研究就像做侦探一样,通过很多线索抽丝剥茧,挨个排除,直到发现真相的那一刻。
一头扎进快速射电暴的神秘世界
2016年,师从时任中国科学院国家天文台FAST(中国天眼)首席科学家李菂的冯毅,开始攻读天体物理学博士。
这一年历经四年调试的FAST正式落成,这四年也是冯毅读博的四年,每年有三个月时间,他都会远离城市,关掉手机,跑到贵州的大山里和这项大工程亲密接触。
作为世界上口径最大的单口径射电望远镜,FAST可以接收到来自宇宙深处微弱的信号,灵敏度比排名第二的高十倍,快速射电暴就是每天接收的信号之一。
2019年8月27日,星空下的“中国天眼”(新华社资料图)。
2019年,冯毅所在团队通过中国天眼FAST捕捉到快速射电暴FRB121102的极端活跃期,并探测到了1652次爆发,比此前所有文献的总数还要多三到四倍。很快,这一成果发表在Nature期刊。
当时,冯毅对这个样本的偏振性质进行了分析,他惊奇地发现,每次偏振性的结果都是0,而此前发表在Nature期刊上的结果偏振性100%。
刚开始大家怀疑是不是FAST设备出了问题,在经过了无数次的测量之后,冯毅坚持认为分析结果是对的,并不是设备的问题。为了挖掘背后的物理规律,他阅读了大量的文献,直到有一天灵光一闪,突然意识到这会不会是消偏振现象导致的?
所谓消偏振,就是快速射电暴在传播过程中,碰到大量不均匀星际介质,各个路径上偏振面旋转角度不同,到达地球叠加后偏振度降低,这就是多路径传播所导致的消偏振现象。
直到2022年3月,快速射电暴的奥秘被冯毅揭开小小一角。他首次提出统一解释重复快速射电暴偏振频率演化的机制,揭示了快速射电暴可能存在演化阶段。这一发现为最终确定快速射电暴起源确定了关键的证据。该项成果发表于Science杂志,同时和他深度参与的另外两项研究成果一道,入选了2022年度“中国科学十大进展”。
当时,冯毅所在的团队还对世界首例持续活跃的快速射电暴进行长达17个月的观测后有了一个惊人的发现:快速射电暴可能处于双星系统中,伴随爆发源的可能是大质量恒星甚至是黑洞。
国内外天文物理学家给予高度评价,前所未有的观测揭秘快速射电暴可能的起源,往认知它的起源又更进了一步。
开密室逃脱做手机游戏的学霸
6岁那年,冯毅对一本叫《少年儿童百科全书》的儿童绘本入了迷。里面讲了很多科学家的故事,比如牛顿、爱因斯坦。这本书在他幼小的心灵里种下了一颗种子:长大了也要当一名科学家,像牛顿和爱因斯坦一样改变世界。
冯毅的学霸人生是从初中开始的:他发现所有的理科学起来都无比简单,除了化学和生物常常满分,就连小学时从来没有拿过第一的奥数比赛在初中连续两年以满分的成绩拿下一等奖。
最让冯毅着迷的是数学和物理。除了上课,他的大部分时间沉浸在物理和数学的神奇世界里,每天从早上7点到晚上12点,高强度学习贯穿了整个初中,不仅自学完了高中数学,还一步步摸索到了大学知识。
比如大学课程里才会出现的微积分,初中的冯毅是自己一步步推导出来的。有一段时间他始终被一个物理问题困扰:当篮球运动员用手指转动篮球时,中心是不动的,那么动能去了哪里?如果按初中物理知识中心速度为0,此时动能增加应该为0。
最后,冯毅凭自己知识库里积累,一步步用数学计算出了这部分看似“消失”的动能。直到后来他才知道,这个一步步推导的过程用的叫微积分,而这部分动能计算,也就是大学物理出现的物理转动惯量。
2008年获得高中物理联赛省一等奖的冯毅,被保送至清华大学物理系。
从清华大学物理系到最后成为一名天文学家的道路上,冯毅也尝试过开人生副本。
大四那年,他突发奇想,和几个同学合伙创业,一个与专业毫不相干的项目——密室逃脱,其间盈利稳定。毕业后,因为前往美国加州攻读天体物理学博士而退出了团队。在美国加州大学圣克鲁兹分校的第一年,冯毅以一作身份在Nature发表了论文。
一年后研究中断回国。当时正值“万众创业,大众创业”,年轻人纷纷投身创业热潮,冯毅决定二次创业,他在北京和来自清华大学等的同学在手机游戏方向进行创业。这个来自清华的豪华创业天团立马吸引了投资机构的目光,还拿到了500万天使融资。
宇宙的浪漫远超想象
从牛顿的“万有引力”到爱因斯坦的“时空弯曲”,科学家们一直在追寻宇宙法则的路上。
夏天的夜晚,仰望星星点点的夜空,浪漫又宁静。不过在冯毅眼里,夜晚的天空非常热闹和奇妙,甚至是聒噪。
新华社资料图
“宇宙的浪漫远超想象。”冯毅说。除了每天12万次的快速射电暴,浩瀚的宇宙中有上千亿颗恒星,而目前人类掌握光谱数据的大概是2亿颗。
目前,冯毅在之江实验室打造了一个快速射电暴的数据库,目前收录了超过10000项数据,大部分来自FAST。
宇宙每天产生的海量天文数据里,藏着很多不为人知的秘密。冯毅和所在的团队在天文研究中引入智能计算技术,破解数据和分析难题。
AstroOne是由之江实验室和中国科学院国家天文台共同打造的天文领域基础模型,简单地说,就好像给天文学家配备了一个具备天文学博士能级的队友,辅助天文学家进行高效的天文学研究。除了AstroOne,之江实验室和国家天文台还合作打造了SpecCLIP恒星光谱基座模型、FALCO时域光变模型等天文科学计算模型。
比如在茫茫宇宙中,寻找一颗贫金属星就好像在银河系中挖掘古老恒星的化石一样,过去大半个世纪,全世界大型望远镜发现的铁氢比小于-4(金属含量为太阳的万分之一)的恒星总共只有50多颗。不过通过大模型,一个月发现了8148颗古老恒星候选体。
作为一名天文研究工作者,冯毅相信浩瀚的宇宙中人类并不孤独。
“相信有地外生命存在。也许这些信号就藏在已有设备里,只不过现在还不知道是地外生命发射的。”
文 | 沈积慧
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