■本报记者 胡珉琦

测量类地行星质量的难度超出了科学家的预期，该技术已经悄悄地在国际间开启了一场竞争。很难想象，领衔国内研究的这名科学家在几年前仍做着与天文完全无关的工作。

北京时间7月24日凌晨，NASA宣布发现了1400光年外天鹅座的另一个地球“开普勒—452b”，一时引起轰动。但很快，学界普遍认为，在这颗行星的成分、质量尚未确定的情况下就宣布是“第二个地球”，似乎显得有些匆忙。

类地行星上有没有生命，不仅要看其是否处于宜居带，绕日周期、体积大小是否与地球类似，质量也必须相近。

人们有所不知的是，测量类地行星质量的难度超出了科学家的预期，该技术已经悄悄地在国际间开启了一场竞争。

很难想象，这名领衔国内研究的科学家在几年前仍做着与天文完全无关的工作。如今，却在“为地球‘兄弟’称重”而量身定做的“秤杆”上刻“定盘星”和标度。他，就是教育部“长江学者奖励计划”特聘教授、北京大学 技术学院量子电子学研究所教授张志刚。

与天文的邂逅

在2011年之前，张志刚从来没有进过国家天文台的大门，尽管他的天文梦在孩童时期就已萌发。

恢复高考后，家在北京的张志刚抱着“不离家去外地工作”的念头，考上了北京工业大学物理师资班（应用物理学系的前身）。对于这个当时没有选择的选择，他至今有些遗憾。

此后，在该校攻读硕士学位期间，超快激光物理与技术就成了张志刚的研究方向。留学回国后，2004年，他参与了一个国家自然科学基金重大项目，开始研究光学频率梳（简称“光频梳”）。

所谓的光频梳，是一些离散的、等间距频率的、像梳子一样的形状的光谱。在光学领域，光频梳就像一把“光尺”，使科学家能够对光学频率实现极其精密的测量。

然而，当时的张志刚并不知道，这种技术会与天文结合。直到2007年，美国哈佛大学和德国马克斯-普朗克量子光学研究所分别提出了用激光频率梳定标天文光谱仪的方法来测定行星质量。

要测量和确认行星质量，通常都要用到视向速度法。视向速度就是面向观察者的速度。行星围绕恒星的运动会使恒星也发生位移。根据多普勒效应，在观察者看来，恒星吸收谱线会因远离或接近地球而发生红移或蓝移。这个红移或蓝移，与两个星球的质量大小有关。测出频移的大小变化规律，就可以算出行星的质量。

测量多普勒频移是一项常规技术，按说不是什么难事。殊不知地球质量的行星对恒星的扰动导致的恒星的视向速度非常小，只有9cm/s量级，在光谱仪上的移动只有一个原子大小，用现有的设备几乎不可能分辨。但激光频率梳定标天文光谱仪却可以做到。

激光频率梳可以提供上万条等间隔定标谱线，这些定标线与恒星各吸收谱线逐一比较，可以最终测量出这个微小的多普勒频移。这种光谱定标装置，也称为天文梳（Astro-comb）。

几乎就在国外学者提出这一概念的同时，张志刚赴美国麻省理工学院做访问学者，并且幸运地接触到“天文梳”的原理。只是隔行如隔山，他始终没有机会找到通往天文台的“光路”。

2009年的一天，张志刚去美国使馆办理签证，偶然发现身旁一起排队的男士手握印有国家天文台字样的材料，眼前一亮，便主动与其打招呼。谁曾想到，眼前的这位正是中国科学院国家天文台副台长、做行星研究的赵刚研究员。

“真是踏破铁鞋无觅处，得来全不费功夫。”张志刚回忆此情景，不禁笑言。他借机向赵刚谈起国外天文梳的研究情况和他自己的光纤激光频率梳。让他喜不自禁的是，赵刚也正想用天文梳寻找类地行星——两人一拍即合，便有了日后的合作。

多少次，张志刚乘坐国家天文台的大巴往返于北京与兴隆观测基地，在夜深人静的兴隆山仰望星空。于他而言，“这是一件特别让人骄傲的事”！

为中国制造争口气

那是2011年一个风雨交加的一天，张志刚由于感冒失声，只得由助手向国家天文台的评审专家陈述天文梳项目计划。当时与北大一起竞争的正是因激光频率梳发明而获得2005年度诺贝尔物理学奖的Theodor H?nsch教授创建的公司。

好在，结果并没有天气那般糟糕。评审专家最终决定放弃购买国外技术，而由张志刚领衔的北大团队来完成天文梳的中国制造。

张志刚曾信誓旦旦地保证在一年内完成该项目，可现实中的一波三折却让他渐渐没有了最初的乐观--他承认自己大大低估了制造天文梳的难度。

哈佛大学在麻省理工学院的帮助下，研制了第一台天文梳，于2013年初安装在欧洲南方天文台（简称“欧南台”）在西班牙Canary岛上的天文望远镜HARPS-N上；而马普所-Menlo Systems公司的联合体研制的天文梳，也同期运到了欧南台在智利的HARPS-S上（High Accuracy Radial velocity Planet Searcher：高精度视向速度行星搜寻者）。

直到目前，包括中国在内的所有天文梳仍停留在定标评价阶段，还没有一个天文梳投入真正的类地行星质量的测试。张志刚解释，这是因为光频梳与光谱仪目前所能达到的稳定性尚无法满足长期测量的要求。

他坦言：“就中国而言，面临的技术难题更大。”原因在于，国家天文台观测行星用的天文望远镜的口径比欧南台测量视向速度专用的HARPS小很多（后者的直径是3.6m，而前者的直径仅为2.16m），导致在观测同等亮度的恒星时，不得不降低分辨率。

不过，这不意味着国内科学家就测不了行星质量。根据张志刚的介绍，研究人员可以通过增加天文梳“梳齿”的频率间隔，来提升光谱仪的分辨率。例如对于HARPS，频率间隔只需要16GHz，而我国的必须做到32GHz。在同样的信噪比和梳齿根数的情况下，国内的天文梳就需要覆盖更大的光谱范围。

张志刚说：“这样做的难点在于，如何做到这样宽的扩谱，以及如何让这样宽的光谱做到平坦，因为只要一部分梳齿的信噪比降低，就需要更多的梳齿数目来弥补，这就要求更宽的光谱。”

张志刚的研究团队意识到，不能照搬国外经验，必须走出自己的路。经过不断探索，他们造出了三件别人没有的法宝：首先是世界最高频率间隔的1GHz的光纤激光频率梳；其次是自行设计拉锥光子晶体光纤；最后是研制出世界上最大光谱带宽且稳定的零位相法布里-珀罗干涉仪。

这些创造使得中国的天文梳研究在某些关键技术上比国外更先进一些。麻省理工还以“合作”方式“引入”了3套张志刚团队研制的1GHz飞秒光纤激光器。

目前，我国天文光谱仪的视向速度分辨率已经提高了20倍，但离9cm/s还有一定距离。此次开普勒-452b的发布，让张志刚更有了紧迫感。“不尽快达到9cm/s的精度，我们就可能失去最先测出类地行星质量的机会。”

在与天文梳反复磨合的四年中，张志刚与学生经常需要坐班车“上山”。2.16m望远镜的光谱仪室内温度需要常年保持在15摄氏度，有人进去做实验的时候空调还会加大制冷，即使是夏天也需要穿厚衣。到了晚上，山上不仅非常寂静，而且因为观测需要，实行“灯光静默”，没有一盏路灯，连窗帘都必须拉得严丝合缝不漏出一点室内的灯光。

望着兴隆山上满天的星星，张志刚希望，未来有一颗类地行星是中国人发现和命名的！

记者手记

喜欢舞文弄墨的“理工男”

■本报记者 胡珉琦

如果不是因为“开普勒—452b”的发现，张志刚鲜少主动对外说起这项研究，这是他第一次在科学网博客正式提到自己的工作。

其余的时间，这位“理工男”最喜欢舞文弄墨。博客中尽是他的“针砭时弊”，话题涵盖了社会、体育、影视、文学，当然也包括科研。

他有感于国际大牛们在学术交流中的大度和底气。实验室的工作完全对来访者开放，任何技术，只要你想学，他们绝不隐瞒。从这个角度上说，如果不是当年国外同行关于天文梳研究的分享，也不可能有张志刚的早早“入门”。

“他们不怕你‘偷’技术，你刚偷走，就已经过时了，因为他们在不断产生新技术。”张志刚每一次访问MIT都深有体会，哪怕相隔不到一年，都能发现他们又提出了新的技术、新的想法、作出了新的成果。反观国内，“由于交流的限制，产生学术创新的土壤反而消失了”。

张志刚在博客上“什么都说”的风格也常常让自己不得不自嘲一下。他直言，自己是个不折不扣的“剁手族”。

作为科学家，张志刚除了相信科学可以改变这个世界，他认为，文字同样拥有这样的力量。

张志刚曾写过故事，按他的话说，“纯属激情写作”，却起到了意想不到的作用。

最近，他正醉心于北京台文艺广播每天中午12点的小说联播《一座营盘》。作家陶淳敢于说真话，尖锐大胆，让他听后痛快淋漓！他很赞同一位文学评论家的观点，现实主义才是中国文学的根。当今文学回避宏大叙事，缺乏表现时代和民族命运的大主题，鲜有表现对民生疾苦的关注，离人民越来越远。

“就是现在的文学作品太小资了”。除了在自己科研领域的既定目标，思考构思反映现实科研生活的故事是他更遥远的梦想。