小小探測器，追尋宇宙大奧秘

在浩瀚宇宙中，一束絢爛的伽馬射線暴（簡稱“伽馬暴”）劃破夜空，僅持續(xù)短短幾秒，卻釋放出堪比太陽一生的能量。這一幕，被清華大學(xué)“天格計劃”團隊自主研制的衛(wèi)星載荷精準捕捉，并以完整、未飽和的獨家觀測數(shù)據(jù)，為人類探索宇宙提供了全新視角。

這是一群青年學(xué)子向星空深處執(zhí)著追問的成果。

2025年5月，這支由清華本科生主導(dǎo)的基礎(chǔ)研究團隊在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心迎來又一個振奮人心的時刻。隨著藍箭航天“朱雀二號”火箭點火升空，“天格計劃”第十三顆衛(wèi)星載荷——GRID-09成功入軌。這顆由“天格人”自主設(shè)計、裝調(diào)、標定的科研載荷，具備高通量與在軌自適應(yīng)觀測能力，還搭載了為中國空間站“POLAR-2”項目定制的SiPM輻射損傷研究載荷。

作為主力成員之一，清華工程物理系博士生楊紫瑞參與了整個載荷的設(shè)計與研制。他說：“能把自己做的探測器發(fā)射到宇宙，這很酷，我們每個人都全力以赴！”

其實，早在2023年，楊紫瑞就親歷了“天格計劃”的一個“高光時刻”。是年8月12日，GRID-05B衛(wèi)星意外捕捉到代號為GRB 230812B的伽馬暴。這場宇宙“煙花”雖只閃現(xiàn)3秒，卻是迄今第三明亮的伽馬暴。由于天格探測器適宜的有效面積與亮源特性高度契合，成了全球唯一記錄到該伽馬暴全過程的觀測設(shè)備。在天文系博士生王晨宇牽頭下，團隊比對多國衛(wèi)星與地面觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該事件與超新星坍縮相關(guān)，挑戰(zhàn)了“短伽馬暴只源于致密天體并合”的傳統(tǒng)理論。這項成果不僅填補了我國學(xué)生科研自主主導(dǎo)的空白，更被國際權(quán)威期刊《天體物理學(xué)報》收錄。

時間回到2016年，幾位清華大三學(xué)生發(fā)起組建了這個團隊，起初只是想“找個辦法看見伽馬暴”。從一個本科興趣小組成長為全國領(lǐng)先的大學(xué)生科研平臺，“天格計劃”取得的成果并不只是因為好運氣。他們邊學(xué)邊做，自主完成探測器原型設(shè)計，2018年成功將首顆實驗載荷送入太空。在穿越無數(shù)次試驗失敗與測量偏差的“闖關(guān)”背后，是實驗室里成百上千次的標定，是日復(fù)一日拆解問題、細化目標的“科研體力活”，以及那份對抗枯燥與挫折的好奇心。

“這群學(xué)生用實際行動證明了，納衛(wèi)星探測器雖小，但經(jīng)過嚴格的設(shè)計和標定，它也可以是一個真正的‘科學(xué)儀器’，它一樣可以用來做有價值、有意義的科學(xué)研究?！薄疤旄裼媱潯敝笇?dǎo)教師、工程物理系教授曾鳴表示，“參加這項科研的學(xué)生未必天分過人，只要你有興趣、肯努力，‘天格’就愿意為你提供成長的空間。”

在團隊中，每顆衛(wèi)星背后都留下了數(shù)十位本科生的身影。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計、軟件開發(fā)到飛控調(diào)試，核心成員必須“主刀”完成關(guān)鍵環(huán)節(jié)，每學(xué)期還通過“老帶新”機制開展技能培訓(xùn)。復(fù)雜工程被切分為一個個“新手任務(wù)包”，即便是零基礎(chǔ)的新同學(xué)也能迅速參與。每周組會攻關(guān)、集體討論解決卡點早已成為常態(tài)，遇到科學(xué)數(shù)據(jù)處理的難題，他們還會請教學(xué)校里超算學(xué)生團隊的伙伴。工程與科學(xué)的雙輪驅(qū)動，塑造了一個協(xié)同成長、代際傳承的學(xué)生科研共同體。

截至目前，“天格計劃”已有來自清華7個院系、前后11屆的200余名學(xué)生參與，成功發(fā)射13顆衛(wèi)星載荷，累計在伽馬射線暴協(xié)同觀測網(wǎng)上發(fā)布10余例觀測事件，部分科研成果被中科院國家空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心收錄，并發(fā)表多篇國際期刊論文。

如今，越來越多從“天格計劃”走出的畢業(yè)生奔赴“中國錦屏地下實驗室”“神光Ⅲ”“懷柔一號科學(xué)衛(wèi)星”等國家大科學(xué)項目一線崗位，在更廣闊的空間中繼續(xù)追光逐夢。

科研不是“短跑”，而是“馬拉松”

在北京西北五環(huán)外的一座實驗室里，總有一盞燈亮到深夜。

燈光下，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院教授楊光輝和他的團隊，正與顯微鏡、培養(yǎng)皿和鹽堿土為伴，試圖解開一個困擾人類千年的農(nóng)業(yè)難題：“鹽堿地上，作物如何高產(chǎn)豐收？”

2008年，在“21世紀是生命科學(xué)的世紀”這句話激勵下，楊光輝考入中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院。本科畢業(yè)后，他進入清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院深造，師從結(jié)構(gòu)生物學(xué)家施一公院士。在清華的7年里，他沉浸在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的世界里，日益體會到結(jié)構(gòu)生物學(xué)的魅力。

2019年，再次回到中國農(nóng)業(yè)大學(xué)時，29歲的楊光輝以“杰出人才”身份被引進，任生物學(xué)院教授，進入植物抗逆高效全國重點實驗室。該實驗室以提升主要農(nóng)作物抗逆性和資源高效利用為主攻方向，開展植物環(huán)境適應(yīng)性的前沿基礎(chǔ)研究。

進入實驗室不久，楊光輝就選擇了一個極具挑戰(zhàn)性的方向：破解作物抗鹽脅迫的分子密碼。

這個課題有很強的現(xiàn)實意義：我國是全球第三大鹽堿地分布國家，目前擁有各類可利用鹽堿地資源約5億多畝，其中有農(nóng)業(yè)利用前景的達1.85億畝。楊光輝介紹：“鹽堿地被稱為‘地球的牛皮癬’，傳統(tǒng)改良方法成本高、周期長。如果能讓作物自己‘學(xué)會’抗鹽，就能變廢為寶?！?/p>

然而，科研之路從不是一帆風(fēng)順。

一開始，楊光輝和團隊每天面對的是無數(shù)次失敗——蛋白質(zhì)結(jié)晶條件不對、基因編輯效果不理想、實驗數(shù)據(jù)與預(yù)期不符……

“幾乎99%的時間都在試錯?！睏罟廨x說，“但每一次失敗，都意味著我們排除了一個錯誤選項，離自然規(guī)律更近一步?！?/p>

不斷試錯，終見曙光。

2023年，楊光輝和郭巖課題組合作解析植物抗鹽脅迫關(guān)鍵蛋白SOS1的結(jié)構(gòu)和功能調(diào)節(jié)機理的文章在《Nature Plants》發(fā)表。

“植物在適應(yīng)鹽脅迫的過程中進化出了一系列抗鹽信號通路，弄明白其中蛋白質(zhì)作用的機理，有助于植物抗鹽堿化，促進農(nóng)作物更好生長?！边@讓楊光輝感到興奮，“這些成果可能是作物豐收的下一個增長點?！?/p>

“和所有基礎(chǔ)學(xué)科一樣，大家最關(guān)心的是，自己的研究能不能用，什么時候能用上？”楊光輝表示，“在自由探索和目標導(dǎo)向這兩個維度上，生物科學(xué)都能得到很好應(yīng)用?！?/p>

在楊光輝的實驗室里，博士生徐瑕曾經(jīng)歷過一次“至暗時刻”。她花了兩年時間研究一個關(guān)鍵基因的功能，卻在論文即將投稿時發(fā)現(xiàn)，同一成果已被國內(nèi)其他高校團隊搶先發(fā)表。這意味著，她的研究必須推倒重來。

“做科研就像賽跑，你永遠無法預(yù)測競爭對手會有多快?！毙扈φf，“壓力像一張無形的網(wǎng)，籠罩著你，有時真讓人喘不過氣?！?/p>

楊光輝安慰她：“科研不是短跑，而是馬拉松。真正的突破往往來自長期積累，而不是一時的領(lǐng)先?！?/p>

鍥而舍之，朽木不折；鍥而不舍，金石可鏤。這是楊光輝給學(xué)生的建議，也是自己故事的縮寫。

“基礎(chǔ)科學(xué)研究就像坐‘冷板凳’，過程可能會有點苦，我們要苦中作樂，要學(xué)會給自己正向反饋?！辈稍L中，楊光輝不止一次談到了科幻小說《三體》,“科學(xué)的魅力在于發(fā)現(xiàn)未知領(lǐng)域，不被外物干擾時的專注本身就很迷人。”

在楊光輝的設(shè)想里，下一步，他將繼續(xù)攻堅種源“卡脖子”問題的基礎(chǔ)科學(xué)瓶頸，以助力品種選育?！跋Ｍ覀兡茉谧魑锟鼓?、抗病、抗蟲、高產(chǎn)優(yōu)產(chǎn)，畜禽高效生產(chǎn)、疫病防控、遺傳改良、資源可持續(xù)利用等關(guān)鍵方向?qū)崿F(xiàn)突破?！?/p>

在量子世界潛心“追光”

夏日的陽光炙烤著每一位趕路人。在南京大學(xué)鼓樓校區(qū)唐仲英樓內(nèi)，有一間毫不起眼的“黑屋子”，其內(nèi)部溫度卻低得驚人，僅比宇宙最低溫度零下273.15攝氏度高出約0.03攝氏度。

在這間“魔法黑屋”里，南京大學(xué)物理學(xué)院教授杜靈杰帶領(lǐng)學(xué)生團隊成功“追光”，在世界范圍內(nèi)首次成功捕捉到了引力子激發(fā)。這一重要成果同時入選2024年度“中國科學(xué)十大進展”和“中國十大科技進展新聞”。

走近杜靈杰辦公室門前的展示板，上面張貼著六份發(fā)表在《自然》主刊及其子刊上的論文。

2019年，杜靈杰與合作者在分數(shù)量子霍爾效應(yīng)中意外觀察到一種新的集體激發(fā)，這一成果被科研界認為可能是分數(shù)量子霍爾引力子（即引力子激發(fā)）存在的證據(jù)。隨后不久，杜靈杰結(jié)束留學(xué)，回到母校南京大學(xué)任教，并決心解決這個基礎(chǔ)物理問題。

當(dāng)時的引力子領(lǐng)域還是科研“無人區(qū)”，研究的首要條件是要有合適儀器設(shè)備。當(dāng)時，全球都沒有現(xiàn)成的實驗設(shè)備，團隊只能從零開始自主搭建。

2022年8月，杜靈杰帶領(lǐng)團隊歷時三年，從無到有設(shè)計組裝出實驗裝置，搭建起一間能夠開展實驗的“黑屋子”。最初一段時間，杜靈杰及其團隊一無所獲。他們對海量的實驗數(shù)據(jù)進行分析復(fù)盤，發(fā)現(xiàn)了引力子激發(fā)的微弱信號，滿懷期待投稿，卻被期刊回復(fù)“證據(jù)不足”。的確，因為該發(fā)現(xiàn)如被證實，意義將極為重大，期刊編輯部不得不謹慎對待。

杜靈杰沒有放棄，帶領(lǐng)學(xué)生冷靜復(fù)盤每一步實驗步驟，仔細排查，直至找到辦法。2024年3月，團隊研究成果——“在分數(shù)量子霍爾效應(yīng)中首次觀察到引力子激發(fā)”終于在《自然》正式發(fā)表。

杜靈杰的團隊里，幾乎全是年輕人。課題組大組會每周一次，每位學(xué)生都要匯報科研進度，分享學(xué)習(xí)成果。學(xué)生王一帆告訴記者：“實驗中遇到任何困難咨詢杜老師，不管多晚，他都會及時回復(fù)?！?/p>

實驗上的問題總是一個接一個。杜靈杰建議學(xué)生專注眼前任務(wù)，先解決今天的問題，再去琢磨明天的問題：“只要每天有進步，哪怕微小也值得開心?！?/p>

如何讓團隊保持科研熱情？他也有自己的策略：大膽探索前沿領(lǐng)域，做好長期攻關(guān)準備；也開展一些把握較大、短期內(nèi)能出成果的工作，以正向激勵科研團隊。

“基礎(chǔ)研究是種大樹的事業(yè)，可能幾十年后才會開花，但‘埋頭種樹’和‘低處摘桃’并不矛盾。種樹過程中難免勞累饑餓，順手開展些短期工作，就像摘顆桃子吃下肚，補充體力、增加動力，一步步實現(xiàn)終極目標。”杜靈杰說。

“選擇科研領(lǐng)域時，不要以冷熱門為唯一標準。冷熱周期變化不定，對科研人而言，堅持耕耘、保持戰(zhàn)略耐心，產(chǎn)出意義重大的成果，助力社會解決難題才是關(guān)鍵。”杜靈杰說，“關(guān)鍵是做自己感興趣且國家社會需要的事。”

實驗室成立初期，科研經(jīng)費不足，南京大學(xué)撥付專項科研基金以解燃眉之急。成果完成后，仍然面臨著經(jīng)費不夠支撐后續(xù)研究的狀況。好在，江蘇省科技廳通過省自然科學(xué)基金攀登專項緊急撥款300萬元給予支持。而江蘇省物理科學(xué)研究中心的成立和國家長周期項目的開展，也為基礎(chǔ)研究提供了更穩(wěn)定的支持。

基礎(chǔ)研究與其他學(xué)科不同，需要根據(jù)自身特點靈活探索。杜靈杰將科研比作小船：“基礎(chǔ)研究是探索未知，所以其突破往往有不可預(yù)期性，如果讓更多的小船從不同的可能方向進行探索，那會更有機會找到基礎(chǔ)研究的‘新大陸’。當(dāng)然，有組織科研對于深化基礎(chǔ)研究是極為重要的，尤其是在‘新大陸’的方向被確定之后。如此一來，形成良性循環(huán)，基礎(chǔ)研究的動力將越來越強?！保ㄓ浾?陳鵬 通訊員 江盛盈 陳藝嫻）

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