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创新文化

【科学中国人】朱永田：发展国之重器，矢志仰望星空

打印 ｜ 字体大小：大 中 小 日期：2020年12月31日
　　 
朱永田（左三）向国内外专家介绍LAMOST多目标光纤光谱仪
天文学家靠光谱分析，获得遥远的天体信息。光谱是恒星的“条形码”，犹如人的指纹各不相同，不同元素都会在特定波长位置留下自己独特的印记。只要能够获取天体发出的光，就可以通过光谱分析知道这个天体到底由什么物质构成。其中，星系的光谱可以提供距离、化学成分和视向速度等信息，而由恒星的光谱则能够推断其化学成分、温度、年龄、质量和演化历史等。从大量光谱观测中还可以发现许多奇异的天体和现象。

中国科学院国家天文台副台长、中国科学院南京天文光学技术研究所所长（下称“南京天光所”）朱永田研究员，在天文仪器与技术领域耕耘30载，为国内天文机构研制了多种大型天文光谱仪，还承担国际重大天文设施的光谱仪器研制任务，取得了大批具有国际影响的科技成果。他不仅奠定了中国天文光谱技术基础，开拓了中国太阳系外行星探测技术新领域，还培养造就了一只具有国际影响力的天文光谱探测技术人才队伍。

制器观天，与中国天文科技共同成长


透过天文望远镜，可以看到月球上大大小小的环形山，但如果看天上的一颗颗星星，无论多大口径的望远镜却也只能看到一个个小小的亮点。天文望远镜是整个天文“观测链”中的“集能器”，可以将遥远暗弱的天体发出的微弱光子收集起来，望远镜口径越大，接收到的光子就越多，也就能探测到越暗的天体。而要研究天体的物理参数、化学成分等，则必须依赖与望远镜焦点相连接的终端仪器——光谱仪。

光谱仪器是实测天体物理中最重要的科学终端仪器，工作于望远镜的焦点，它可以将天文望远镜收集到的来自天体辐射的复色光分解为由各种波长单色光组成的光谱。光谱分析是研究天体最重要的方法，天文望远镜相当大的一部分观测时间用来获得天体的光谱数据。通过对天体的光谱数据进行分析，天文学家可以深入地研究宇宙的起源和演化，甚至搜寻太阳系外行星。

“光谱仪的分辨率越高，就越容易把相关元素分辨出来，通过多普勒频移就能测算出天体的运动速度。”朱永田说，“天文光谱仪和其他我们通常所见的分析仪器在设计原理、准则和体量上完全是不同的概念。20世纪80年代，一台2米级望远镜的高分辨率光谱仪占地足有一个100平方米房间大小，研制周期也往往需要3到5年时间。”

1986年，从长春光学精密机械学院（现长春理工大学）光学工程系光学仪器专业本科毕业的朱永田，因为学习成绩优秀，各门功课几乎满分，他正好赶上著名光学专家潘君骅院士来校挑选学生，在学校教务长、著名激光专家沈柯教授和光学工程系主任毛英泰教授力荐下成为潘君骅院士的学生。正是在潘君骅院士的指导下，他开始聚焦大型高分辨率天文光谱仪的研究，也是从那时开始，朱永田与中国天文仪器的创新制造结下了不解之缘。

1986年，备受瞩目的中国2.16米天文望远镜开始在南京集成测试，与此同时中国天文界还酝酿为这架望远镜配置高分辨率光谱仪——折轴阶梯光栅光谱仪。而在那个年代，中国天文学界还没有能力研制大型的天文光谱仪。结合这一重大需求，朱永田在潘院士的指导下完成了“阶梯光栅光谱仪总体方案研究”项目，此后一直在天文光谱领域“深耕细作”，成为我国天文技术领域的学科带头人之一。

在潘院士的精心指导下，经过2.16米望远镜高分辨率阶梯光栅光谱仪研制全过程的锻炼，从方案设计、系统集成与测试，朱永田完全系统性地掌握了大型天文光谱仪的研制技术，这也是潘院士有意培养天文光谱仪器技术带头人的初衷。

第一台天文光谱仪研制成功后，中国的天文科学仪器研发逐渐驶入快车道，朱永田在天文光谱和高分辨成像技术的研究上推陈出新，逐步奠定了中国天文光谱探测技术基础，先后为国内大中型光学望远镜2.16米望远镜和2.4米望远镜，以及LAMOST望远镜等成功研制了系列先进的各类天文光谱仪器，取得了大批具有国际影响力的科技成果。

2009年6月，世界最大口径大视场光学望远镜——“大天区面积多目标光纤光谱望远镜－LAMOST”（郭守敬望远镜）项目通过国家竣工验收。

朱永田担任LAMOST科学仪器负责人，主持研制成功的16台多目标中低分辨率光纤光谱仪，可以同时观测4000个天体目标。LAMOST视场达5°，在焦面上可放置4000根光纤，可将遥远天体的光分别传输到多台光谱仪中，同时获得它们的光谱。从某种角度来说望远镜口径、台址大气视宁度决定着天文光谱仪的设计难度。大气视宁度与光谱分辨率、光谱数量是相互矛盾的，LAMOST中／低分辨率光谱仪的研制面临的主要技术挑战就是台址视宁度差，对应的光纤粗，影响光谱分辨率和光谱数量。设计工作从1997年开始，针对科学目标（设计指标），朱永田带领团队进行了总体方案研究、关键技术攻关，领导团队研制成功了世界上规模最大的多目标光纤光谱仪集群（阵列）。

如今，LAMOST项目已完成一期光谱巡天任务,开启二期中分辨率光谱巡天。LAMOST获取了超千万条恒星光谱，其中高质量光谱数（S/N>10）约是世界上其他地面巡天项目发布光谱数之和的2倍多。天文学家利用这些海量光谱数据，在银河系结构与演化、恒星物理、特殊天体及致密天体、类星体等重要前沿领域已经取得了一系列有影响力的研究成果。


与潘君骅院士（左二）、长春理工大学原校长姜会林院士（左三）在“潘君骅星”命名仪式上合影。

挑战极限，填补国内系外行星探测技术空白


千百年来，人类的一大梦想就是走出太阳系，寻找地外文明或地外生物，或者找到存在生命的类似地球的星球。太阳系外行星探测与研究是21世纪重大科学问题之一，对理解生命起源和演化、认知人类在宇宙中的地位具有重大科学意义。美国国家研究理事会两期十年规划报告中（天文和天体物理领域的“新千年、新世界、新视野”）都将系外行星探测和生命信号搜寻作为重大战略目标。日内瓦天文台的两位天文学家因首次发现围绕类太阳恒星的系外行星而获得2019年度诺贝尔物理学奖。发展太阳系外行星的探测技术，是朱永田近年来的另一个主要研究方向，也是当前国际天文学界的前沿课题。

经常见诸报端而又最让普通民众感兴趣的问题是：人类何时能够发现地外文明和系外生命？太阳系外行星的探测与研究，对于行星形成理论和生命的起源有着重大的科学意义，也是一项充满未知又极具挑战的艰苦工作。

“探测类地行星在技术上仍要克服很多困难，仪器的技术性能趋近于光电探测的极限。”朱永田说。

朱永田团队致力于两种重要的系外行星探测技术研究：天体高精度视向速度测量和高对比度直接成像。其中，视向速度法是发现系外行星的主要手段，而高对比度直接成像是确认地外文明是否存在的最有力而可靠的证据。

朱永田主持研制成功的高分辨率光纤光谱仪与我国2.16米望远镜联测，已发现了多颗新的太阳系外行星。该仪器采用了柔性像面补偿、光纤扰模等光谱稳定新技术，使用碘吸收盒定标，视向速度实测精度达到～4m/s，成为我国系外行星探测的重要利器，也是中、日、韩系外行星联测网的主干设备。为进一步提高仪器的观测精度，朱永田还带领团队发展了基于天文激光频率梳的高精度波长定标技术，实现了10cm/s的定标重复精度。

2007年至今，朱永田带领团队在国内率先开展了太阳系外行星直接成像技术的研究，并在高对比度直接成像技术上取得了一系列成果。系外行星直接成像探测是国际天文技术领域的重大难题，由于行星不发光，主要靠反射其恒星的光来探测，因此行星的光度极其微弱，如何在恒星的“光芒”笼罩下提取极其微弱的行星“信号”，无异于“打着探照灯找萤火虫”。经过十多年刻苦攻关，朱永田及团队突破了系外行星高对比度成像核心技术，包括超级自适应光学、星冕仪、高对比度图像处理技术；主持研制的系外行星高对比度成像仪，作为访问仪器多次用于国际4米级望远镜联测，获得了国内首张系外行星的清晰图像。基于多年来在高对比度成像技术上的重大突破，朱永田团队建议的中国空间站系外行星高对比度成像仪项目获得立项，该仪器研制成功后将成为空间首台成像探测成熟系外行星的科学载荷。

学科引领，夺世界天文领域发展先机


从伽利略首次用光学望远镜观测星空起，400多年来天文科学技术已从光学波段拓展到全电磁波段，从陆地拓展到极地，从地基拓展到天基。现代天文望远镜和光学技术的蓬勃发展，在有力支撑天文学研究取得重大成就的同时，也在满足国家战略需求方面获得了广泛的应用。

坐落于南京紫金山北麓玄武湖畔的中国科学院南京天文光学技术研究所，已经走过60多年的发展历程，是我国天文与光学高新技术的重要科研和发展基地、国家大中型天文望远镜及仪器设备的研制基地，以及天文技术与方法高级人才的培养基地。如今，中国的天文学家正利用这里研制的天文仪器，去实现探索宇宙终极奥秘的梦想。

朱永田团队先后为山东大学威海天文台1米望远镜、国家天文台-兴隆观测站2.16米望远镜、云南天文台-丽江观测基地2.4米望远镜和1.8米望远镜……研制了多台各类光谱仪器。近年来，朱永田带领南京天光所不断发展壮大，建立了如今已有着50多人团队的天文光谱与高分辨成像技术研究室，掌握了大型天文光谱仪器的研制技术，不仅国内绝大多数天文台的光谱仪都出自这里，团队还积极参与各类国际合作项目，向国际输出中国创造的天文技术和天文设备。

2010—2011年间，南京天光所天文光谱技术团队为中国极地研究中心先后研制成功了2台极地极光光谱仪，分别安装于南极中山站和北极黄河站。通过观测极光光谱来研究高空大气层的磁场，分析极光的物理特性和化学组成，为人类揭开更多的太阳风活动规律。2014年10月，自主研制出口的第一台专业天文观测研究用阶梯光栅光纤光谱仪（MRES），应用于泰国国家天文台2.4米望远镜……

在朱永田的领导下，南京天光所进一步凝炼科研发展目标，聚焦天文学研究中的重大问题，开拓天文技术新领域，尤其是在天体生物学、集成光学、光子学、仪器仪表技术等与天文学、天体物理学交叉的学科领域不断取得突破。

随着现代天文光学技术的发展，下一代地面及空间天文观测仪器已开始采用更为复杂的光学设计方案。结合新材料、轻量化及大口径大非球面度镜面的研制需求，朱永田带领南京天光所致力于发展先进制造和检测装备，完善关键技术与工艺，通过牵头承担重大光学系统研制任务，建设国内独具特色的高精度大口径先进光学制造中心，发展关键技术与工艺，保持团队在领域内的领先地位。

“下一代极大口径光学红外望远镜由于其大规模和高精度，代表了一个国家技术研发的前沿水平。”朱永田说，下一代极大口径光学红外望远镜的核心关键技术是子镜的共相主动拼接技术和批量非圆形离轴非球面子镜磨制技术，涉及高精度光学镜面研制、精密机械、自动控制、纳米级传感器与促动器等多个学科领域。

“十三五”和“十四五”除了向国家建议建设新一代中国大型光学红外望远镜外，朱永田团队还积极参与国际重大天文项目的国际合作，比如美国30米光学望远镜（TMT）、美国海尔望远镜的下一代多通道光谱仪、世界最大的光学望远镜——西班牙GTC望远镜的超稳定高分辨率光谱仪、美国夏威夷MSE望远镜的多目标高分辨率光谱仪等项目都有南京天光所的贡献，中国的天文技术正越来越深刻地影响世界。

薪火相传，培养专业过硬科技骨干


出生成长于吉林长春的朱永田，从小就对光学充满兴趣，高考时如愿考入长春光学精密机械学院（现长春理工大学）光学工程系光学仪器专业。与天文结缘纯属偶然，1986年，朱永田获免试推荐到中国科学院紫金山天文台，攻读天体物理专业研究生，跟随早年留学苏联的中国工程院院士潘君骅学习。

无论在治学还是科研上，潘君骅对朱永田的影响都非常深刻。在导师言传身教下，朱永田不仅参与研发出折轴阶梯光栅分光仪，还设计出两非球面反射镜非扫描式软X射线投影光刻系统，该系统对波长13nm的软X射线可获Φ30mm的平象场和优于0.1μm的光刻线条分辨率。

2010年至今，担任南京天光所所长、国家天文台副台长、中国科学院天文光学技术重点实验室主任以来，朱永田不仅要带领团队在天文科学仪器研究中攻坚克难，为将中国天文仪器和技术事业传承并不断发扬光大，他还要总揽全局，培养一代代青年天文科技人才，培育和发展新的学科方向。师承潘君骅院士在治学上严谨求实、开拓创新、悉心育人的精神，朱永田将自己多年科研工作的经验和体会毫无保留地传授给年轻一代科研人员和莘莘学子。

“技术不能保守，团队必须交流，学术带头人要将自己的经验传授给年轻一代，让他们少走弯路，尽快成长，后人就是要站在前人的肩膀上，才能走得更快、更远、更好。”

在管理科研团队上，朱永田有着自己的一套办法。他根据每个人的专业特点，在不同的研究方向中选拔一个科研带头人，让他们都能够在团队中找到自己的主要发展方向并努力有所建树。同时，他会针对每个人的性格和不同长处，实行优势互补、各扬所长，避免“木桶效应”，在管理模式上坚持团队协同攻关下兼顾个人学术的成长发展，不断让团队保持创新力、凝聚力和战斗力。

朱永田认为，作为学术带头人，必须制定合适的发展路线，并建立自己对团队的影响力，无论在专业上还是管理上，要让团队心甘情愿地向前迈进。

让他欣慰的是，经过多年发展，南京天光所已经培养出一批在专业上过硬的科技骨干。如今，35岁以下的年轻人才，占到了南京天光所研究人员的58%左右。“中国正处于百年未有之大变局，影响世界的科研项目不断上马，要让年轻的科研人员多参与国家的大科学装置的建设，让他们尽快成长，独当一面。”

朱永田甘为人梯，在培养提携优秀青年人才和促进学科新增长方面不遗余力。他满怀炽热的爱国之心，矢志不移致力于科技创新，为推动国家天文光学技术事业进步尽心竭力，无怨无悔。

朱永田说，天文科技就是一个不断探究、追求极限的过程，作为一名新时代中国天文科技工作者，就要时刻不忘初心、牢记使命，发扬创新精神和奉献精神，在天文科技创新领域勇攀高峰、不懈奋斗。

　　

 

　　

　　专家简介

　　

　　朱永田，中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所研究员、所长，兼任国家天文台副台长，中国科学院大学特聘教授、博士生导师。1986年本科毕业于长春光学精密机械学院（现长春理工大学）光学工程系光学仪器专业，1989年于中国科学院紫金山天文台获天体物理理学硕士学位，1999年和2001年作为高级访问学者分别参加了美国9米Hobby-Eberly望远镜的高分辨率光谱仪和英国8米Gemini望远镜高分辨率光谱仪的研制工作。

　　 

　　长期从事天文光谱和高分辨成像技术、太阳系外行星探测技术的研究，曾先后参加了我国首台大型天文高分辨率光谱仪——2.16米望远镜折轴阶梯光栅分光仪、中国-巴西地球资源卫星红外成像光谱仪等项目的设计和研制工作。主持完成多项国家自然科学基金委重点项目、重大仪器项目和国际（地区）合作与交流项目。

　　 

　　曾担任国家重大科技基础设施LAMOST项目（郭守敬望远镜）的科学仪器负责人，主持研制成功世界上规模最大的大型多目标光纤光谱仪集群。曾获国家科技进步奖二等奖、中国科学院杰出科技成就奖、江苏省科技进步奖一等奖和中国科学院科技进步奖二等奖。曾获南京市有突出贡献的中青年专家、江苏省有突出贡献的中青年专家、国家原“863”计划-航空航天领域“十五”先进个人、中国科学院优秀研究生指导教师奖和国务院政府特殊津贴等多项表彰奖励。