【英才风采】陆明康:抽丝剥茧与循序渐进

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  学员简介

  陆明康,就读于福建省厦门第一中学,2018“英才计划”物理学科优秀学员,师从厦门大学物理学院天文系方陶陶教授。

  培养期间,陆明康在导师指导下开展了“凌星法寻找系外行星”这一课题的深入学习和研究,先后参与由厦门大学主办的“英才计划”冬令营以及由中国科学院大学在北京主办的夏令营,陆明康在 2018 年的“英才计划”物理学科论坛上荣获“优秀学员”称号。

  “英才计划” 开启天文学大门

  2017 年 11 月的一天,陆明康接到学校的通知,自己具备参加教育部、中国科协联合推出的“英才计划”的报名资格。当得知加入该计划的学生可以到知名高校接受培训、做实验、听讲座时,陆明康的内心充满了激动,立刻报名填写了申报表。

  初审之后,经过深思熟虑,陆明康决定选择厦门大学物理学院天文系方陶陶教授作为自己的意向导师,在论文选题上,陆明康选择了自己感兴趣并且与学校教学息息相关的两个主题进行研究:“两天体间拉格朗日点个数和位置的探究”以及“星际航行间引力弹弓的应用方法和原理”。

  写完论文之后,通过查询资料解决疑惑的愉悦感让他更加坚定加入“英才计划”的决心。很快面试的名单就下来了,陆明康获得了面试资格。一周后,面试的结果公布出来了,陆明康入选了,他和其他两位英才学员顺利加入导师方陶陶教授所在的物理研究组,正式成为“英才计划”的一员。“方陶陶教授给我们上的第一课是《天文学概论》。”陆明康感慨,“方教授深入浅出地为我们系统介绍了近代天文学的发展历史、基础理论和现代天文学的三个前沿方向,令我们受益良多。”

  导师们帮助三名学员最终选定了三个课题,分别是“关于黑洞的探索”、“寻找白矮星吸积盘内宜居行星”和“用凌星法寻找系外行星”。”经过深思熟虑后,陆明康选择了由厦门大学天文学系教授、博士生导师武剑锋教授负责指导的课题——“用凌星法寻找系外行星”。

  科研实践全面锻炼能力

  一段时间之后,陆明康了解到目前探测系外行星主要有6 种方法:径向速度法、脉冲星计时 法、天 体 位 置 测 量 法、凌星法、引力微透镜法、直接成像法。

  陆明康介绍说,凌星法的原理很简单,就是行星在路过观察者和恒星之间时对恒星产生了挡光,恒星在观察者看来就变暗了,这就是凌星(Transit,也叫掩食)。“这一方法的缺陷在于,行星的轨道平面和观察者的视线方向的夹角必须足够小,否则我们探测不到凌星。但是优点也很多,首先人们可以比较容易地通过空间项目来进行凌星检测。此外,掩食法可以测量行星的大小,再考虑上其质量,就可以估算行星的密度,进而研究行星的结构。”

  了解到这些基本知识后,陆明康对该方法的优劣也有了较为明确的认识。用他的话说,该方法不需要很高精尖的天文观测平台,而且可以通过编写程序一次对多个目标进行分析。缺点是失误率和误差较大,而且需要获取到对同一天体长期的观测数据。

  接下来,陆明康花费数周时间学会了如何绘制光变曲线。“绘出光变曲线图之后,就要进一步学习通过已知的数据来推算行星的尺寸和距离恒星的距离。”陆明康说。

  公式如下:亮度的变化 D 等于行星与恒星半径比的平方,即

  

  在学习了通过光变曲线图来推测行星个数、轨道和质量之后,陆明康开始上手利用真实的数据进行实操练习。

  据陆明康介绍,该网站可以查询到属于哈佛的几台小型望远镜的观测数据。每个晚上有一到两个天区可以被观测,“我们可以通过星图来找到我们的目标恒星。”每天晚上平均有四个小时的可观测时间,大多在 24:00-4:00(当地时间)。望远镜会按照每 3 分钟一次的频率对申请的天区进行拍摄。陆明康介绍说,我们需要先拍摄一张暗场图片(dark files),然后用这张图片进行比对,观察望远镜和拍摄设备本身有没有什么损坏。排除背景噪点造成的影响之后,就可以开始进行光变曲线的绘画。

  据陆明康介绍,想画出这么一份图表,就需要有恒星的亮度值。亮度的取法有许多种。该网站采用的方法是测量其相对于标准星的相对亮度的变化。先读出目标恒星的亮度值,再从图片中找出两处无恒星的地方测量亮度,得到背景光。最后,从图中摘出两个已经被确定亮度且亮度不会变化的辅助星。将恒星的亮度先减掉背景光,然后再除以辅助星的亮度,就得到了该目标恒星在某一时刻的相对亮度值。

  “只要对一颗恒星进行长期观察,记录下它相对亮度的变化,并且对图像进行拟合,就可以形成一条完整的光变曲线图。”陆明康说,通过一个点阵图,就可以得出完整光变曲线图。进而计算该恒星边上是否有行星,行星的尺寸以及大小。从而进行进一步的研究。但是由于各种误差的存在,经常会出现极不规则的图象,基本无法进行拟合。如下图所示:

  

  陆明康和教授通过讨论之后,理出了几点造成误差的原因:一是,来自元件和大气情况的干扰;二是,数据传输期间的误差;三是,取光点时的误差;四是,数据拟合时的计算误差。

  “通过和导师讨论,我们认为 1 和 2 两项不容易解决,所以我们对 3、4 项进行了详细的分析。”陆明康介绍说,取光点时的误差是主要因素。在照片中恒星的中心总是很难确定,五个数据就有五次的误差。数据的误差大概在千分之一左右,但是叠加起来就可以达到接近百分之一,干扰了正常的测算。数据拟合时也会有部分的数据必须被舍弃。可行的方法是通过软件进行多次取点和算出绝对亮度。在拟合时应当使用电脑多次计算之后重合曲线。

  抽丝剥茧领略科研本质

  在一次模拟之后老师曾问陆明康:“你觉得靠近恒星的行星是大还是小?” 陆明康回答:“靠近恒星的行星自然是较小的。”

  老师听毕,给他讲了一个关于热木星的故事:第一个环绕正常恒星的太阳系外行星飞马座 51b 发现于 1995 年。发现者是瑞士日内瓦大学的 Michel Mayor 和Didier Queloz。这颗行星的质量跟木星类似,但是距离其母星只有 790 万公里,大约是日地距离的 1/20,因此表面温度很高。后来人们将这种行星称为“热木星”。

  这个发现大大出乎人们的意料。基于对太阳系的认识,以及行星形成理论,人们认为这么大的行星是不可能出现在距离母星这么近的地方的。事实上,之前美国天文学家 Geoffrey Marcy 也一直在寻找太阳系外行星,但他的方法首先排除了“热木星”的存在,以至于错过了这个重大发现。后来得知飞马座 51b 的结果之后,他修正了他的方法,很快就又发现了很多的“热木星”类型的太阳系外行星。

  “我深刻地认知到物理科学研究不能囿于人类现有的成果和观念。要敢于创新,才能做出好的成果。这更加激发了我探究的热情。”

  在接下来寒假,陆明康还参与了由厦门大学主办的“英才计划(物理专业)”全国冬令营。期间,陆明康现场聆听了数场包括中国科学院武向平院士、厦门大学天文系顾为民教授在内的科技讲座。用他自己的话说,“受益匪浅”。“这次的冬令营还有一个厚重的收益,那就是我在冬令营里认识了许多来自全国各地的优秀同学,深入交流了各自的课题和学习,大家结下了深厚的友谊。”

  随后的暑期里,陆明康参加由中国科学院大学在北京主办的“英才计划(物理)”夏令营。在国科大,参观了包括高超音速爆轰实验室,流体力学风洞实验室在内的国家尖端科技实验室;在北京兴隆观测站,对郭守敬望远镜和 FAST 等项目进行了深入的学习和了解。“从小口径光学望远镜到大型的射电望远镜,琳琅满目的尖端设备让我眼花缭乱。”

  除此之外,仍有许多事情让陆明康回味无穷。比如,在“两弹一星”历史博物馆,老一辈科学家们是在那么艰苦恶劣的环境下研发出原子弹;用简易而危险的铁缸盛放毒性极强的液体火箭燃料进行实验等等。“这样的英雄让我们热泪盈眶,我们深刻地认识到,大家如今幸福的生活离不开这些前辈们,我们一定要向他们学习,为祖国的建设添砖加瓦。”陆明康说。

  放假期间,陆明康利用碎片化的时间研读完了老师指定的数本专业入门书籍和网络文章,加深了自己对基础天文学和凌星法的历史和发展现状的了解。回溯参与“英才计划”的整个过程,陆明康说,除了在导师的指导下进行了“凌星法寻找系外行星”这一课题的深入学习和研究,并在期间学习到了当代天文学的前沿知识和发展的趋势,更重要的是通过这一轮的学习和训练,“我对于科学研究的过程方法和科学精神的内涵有了更为深刻的认识,为将来从事科技领域的创新性工作培养了浓厚的兴趣,并树立了坚定的决心”。

  导师简介

  方陶陶教授,武汉大学学士,中国科技大学硕士,美国麻省理工学院博士。曾在美国麻省理工学院,卡内基梅隆大学以及加州大学伯克利分校从事博士后研究;美国国家宇局 Chandra Fellow。在美国加州大学欧文分校任研究员。2011 年起任厦门大学特聘教授。研究领域涉及星系的形成和演化;宇宙大尺度结构。

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