魯賓天文臺即將帶來下一場天文學革命

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翻譯：張瀚之

校對：牧夫校對組

編排：張瑩

后臺：朱宸宇

https://www.sciencenews.org/article/vera-rubin-observatory-digital-camera

建在智利安第斯山脈一座平頂高山之上，薇拉·魯賓天文臺（Vera C. Rubin Observatory）用的是開創性美國女天文學家薇拉·魯賓的名字命名，致敬她對宇宙暗物質研究的奠基性貢獻。

早在 2010 年，這個項目就在美國十年期天文與天體物理學調查中名列前茅，由美國國家科學基金會（NSF）與能源部（DOE）主導的全額資助基礎。項目團隊最初將這臺望遠鏡命名為“大型綜合巡天望遠鏡”（ LSST）。顧名思義，魯賓要幫助人類看清宇宙全局。

圖片來源：RUBINOBS/NOIRLAB/SLAC/NSF/DOE/ AURA/P. HORáLEK/INSTITUTE OF PHYSICS IN OPAVA

要回答重大的宇宙問題，“你需要像魯賓這樣的。它沒有任何競爭對手?！比A盛頓大學天文學家 ?eljko Ivezi?（項目建設主任）說。

?凌晨三點，心跳飆升

寧靜清爽的一個五月凌晨 3 點，全球最大的天文數字相機一切看似正常。直到...

在新落成的魯賓天文臺里，現場項目科學家桑德琳·托馬斯正進行著望遠鏡的日常維護和測試。這時，監控屏上一條代表相機溫度的穩定直線突然躥升?！拔业纳咸欤笫虏幻睢！彼敿唇袌F隊緊急讓望遠鏡下線排查。

我在幾個小時后緊急抵達山上，帶著時差，那是我第一次親眼看到這座讓天文學家等待了 25 年的新超級生物。

魯賓天文臺坐落在一座名為 Cerro Pachón 的高大平頂山上。從 20 世紀 90 年代起，科學家就設想它能以前所未有的方式在各個維度上掃描全宇宙。魯賓既能以寬廣而深邃的視野追蹤最緩慢、最永恒的過程，比如星系的聚合與宇宙的膨脹，又能每隔幾晚就掃描整片南部夜空，捕捉最迅疾也最短暫的事件，比如恒星爆發、星際彗星來訪，盡收眼底。

當天穹放晴，穹頂就會開啟，讓相機仰望星海。天氣條件不好的時候，穹頂就會閉合，為整套系統遮風擋雨。

圖片來源：RUBINOBS/NSF/DOE/NOIRLAB/SLAC/AURA, H. STOCKEBRAND

按計劃的 10 年巡天結束時，魯賓將累計拍下約 200 萬張全景科學圖像，每張達 23 億像素（2,300 兆像素），那個時候它所捕獲的宇宙信息量將超越當今任何地面望遠鏡。

“歷史上第一次，被編目的天體數目將超過地球上的人口。”Ivezi? 與合作者在 2019 年《天體物理學雜志》的綜述中寫道。

Ivezi? 坦承，建設周期漫長，他曾擔心魯賓會被后來者超越。但 90 年代提出的那些根本性問題，至今仍未有定論?！耙卮鹚鼈?，你需要魯賓，只有魯賓。它沒有競爭對手。”他說。

更重要的是，魯賓的數據將向全世界開源，也就是說，從專業天文學家到小學學生都能在線獲取。“這是科學的巨大去門檻化。”Ivezi? 說。希望正是這些數據，幫我們破解僅憑單力量目難以攻克的宇宙之謎，我們需要人類的智慧團結起來。

但眼下，托馬斯和她的團隊必須讓魯賓重新上線...

?從暗物質到一切會“動”的天體

三十年前的另一個凌晨 ，托洛洛山美洲際天文臺（隔著魯賓建造地址一座山頭的 ）4 米望遠鏡控制室里，托尼·泰森靈光乍現。

那是1996年1月，當時在貝爾實驗室的天文學家托尼·泰森和他的同事最近將一臺新的數碼相機帶到了智利托洛洛山上的一臺4米望遠鏡上。這臺相機使用了當時相對較新的技術，稱為電荷耦合器件（CCD）。他們把四塊 CCD 組成、當時全球最強的數字相機裝上望遠鏡，躊躇滿志地打算繪制宇宙的暗物質地圖。CCD把光子轉為電子，再轉成圖像，自 1970 年代進入天文臺后就迅速取代了傳統的感光底板。

暗物質被認為占宇宙中所有物質的80%，天文學家不知道它是什么，但由于它對常規物質的引力效應，他們非常確定它的存在。

其中一個效應是由魯賓本人在20世紀70年代發現的。根據星系的可見物質，恒星應該越靠近星盤邊緣，它們的軌道就越慢，就像太陽系中的行星一樣。相反，魯賓和她的同事福特注意到，邊緣的恒星圍繞銀河系中心旋轉得飛快，好想要被拋入太空一樣，他們一定是其他一些看不見的物質將星系結合在一起。

暗物質并不發光，但它的引力會壓彎時空，從而輕微地扭曲背景星系的外形，這就是著名的弱引力透鏡效應，也是為宇宙稱量出暗物質分布的唯一途徑。泰森認為這種被稱為弱透鏡效應的效應是衡量宇宙中暗物質分布的唯一方法。

這就是泰森來到智利的目的。某個夜里，泰森環顧四周，對同伴說：“伙計們，我們能做得更好。如果把更多 CCD 拼成更大的馬賽克，再配合更快的計算機，咱就能建造一臺能力遠超以往的巡天機器，不僅能測繪暗物質?！?/p>

魯賓天文臺的工作人員在設施的一個單獨部分的控制室輪班工作。

圖片來源：馬科斯·澤加斯/《紐約時報》

泰森決定把這個新天文臺作為他的一號寵兒。轉天，他趕緊向2000年十年天文學和天體物理學調查提交了一份提案，這是天文學家認為應該獲得聯邦資助的美國領導的任務的主要愿望清單。他的項目將調查整個天空，尋找弱透鏡物體，繪制我們能探測到的所有暗物質。

“我稱這個寶貝為暗物質望遠鏡，因為這就是我想做的，”他說。“當然啦，在最后一頁，我有一張小行星威脅地球的照片，我們需要錢，這項目得有點“實際”價值不是嗎?！?/p>

不過，這樣的望遠鏡可以做的不僅僅是繪制暗物質地圖。一個足夠大的數碼相機，再加上一個睜大眼睛的望遠鏡，泰森說：“這將記錄一個動態的的宇宙。從小行星，脈沖星，饑餓的黑洞和任何離它們太近的注定要滅亡的恒星。我們的望遠鏡可以繪制出太陽系中數百萬個物體，以及數百萬顆超新星和數十億個星系。它可以幫助回答我們當時甚至不知道要問的問題。

結果，第一個提議不幸落選了（也許一張毀滅地球小行星的圖片還是太保守了）。但天文學界對它的評價足夠高，認為這項目非常值得推進。隨后，來自貝爾實驗室的啟動經費、查爾斯·西蒙尼 2,000 萬美元捐贈、比爾·蓋茨 1,000 萬美元捐贈，以及 NSF 與 DOE 的持續支持，讓設計與建造得以全面鋪開。2010 年，項目在十年期調查中登頂，全面資金到位。最初命名為命名為大型綜合巡天（“看全局”）望遠鏡的魯賓開始快速發展。

?趣味屋，三面鏡

顧名思義，魯賓的“看全局”離不開一臺創紀錄的一堆科技的堆積。重約 3 噸、直徑 1.65 米，由 189 塊 CCD 組成，成像后數秒內即可下傳數據。它的有效像素量級約等于 260 部智能手機相機的總和。

除了需要創紀錄的科技外，天文臺的科學目標還決定了它的形狀和結構。如果想要同時進行廣泛、快速和深入的調查，只有一些方法可以構建一個這樣的工具。舉例來說，為了每 3–4 晚覆蓋整片地球南部天空，每一次快門都要拍到相當于 45 個滿月面積的視場，而且邊緣不能模糊。這就需要一套巨大而獨特的三鏡系統。

首先是8.4米寬的主鏡。負責在每次曝光時都收集大量的光線，再把光反射到次鏡上。其次是3.5米寬的次鏡，也成為了有史以來為天文學建造的最大的次鏡。

為校正大視場的像差，天文學家們又加入了第三面鏡。巧妙的是，三鏡中的主鏡與三鏡由同一整塊玻璃制成，這樣既省空間，也更易保持同軸。光束在趣味屋般的鏡面里幾經反射，最終從次鏡中央的孔徑穿過，投向懸掛其后的大相機。做到這個份上，此時此刻，整個視場的每一束光都被修飾得跟針尖一樣銳利。

魯賓的望遠鏡使用了一套獨特的三鏡，其中兩面是由一塊玻璃制成的。光線照射到8.4米寬的主鏡上，反射到其上方3.5米的次鏡上，并反彈到下方5米的內部第三鏡上。然后，它最終穿過次鏡上的一個孔進入相機。

圖片來源：RUBINOBS/NOIRLAB/SLAC/NSF/DOE/AURA

為了捕捉盡可能多的目標，望遠鏡在快門拍攝之間只有五秒鐘的時間移動到新的天區。在控制室的一個正常夜晚，你可以整晚聽到快門每30到50秒一次的咔嗒聲。托馬斯覺得這聲音很舒緩。“當你什么都聽不見的時候，那估計是有哪里出了大問題！”

魯賓必須被建造在地面上。因為太空望遠鏡的移動速度做不到這么快。這也意味著，在望遠鏡旋轉到一個新的位置后，它必須立即停止任何震動，這就是為什么這個巨大的儀器非常緊湊的原因。

托馬斯說：“你可以想象，如果你有一個長望遠鏡，你只要一移動它，它就會有點振動。對于魯賓來講，儀器一動，像面就糊透了?！?/p>

魯賓的選址同樣關鍵。智利托洛洛山海拔高、空氣干、光害低，是打造這類極敏感設施的理想所在。登頂那天，空氣干得能讓人的鼻腔發燙，不過能見度卻好得能眺望數十公里都看得見。除了其他望遠鏡與施工用臨建，所見皆是石坡與灌叢，偶爾還能遇到野馬和一些可愛的嚙齒動物（像長了松鼠尾巴的兔子，也就是傳說中的龍貓）。

天文臺附近可愛的像龍貓的嚙齒動物。

天文臺是一個活躍的建筑工地，所以我們都必須穿黃色反光背心和頭盔四處走動。一些山頂工作人員會用貼紙裝飾他們的頭盔，魯賓還有自己的定制頭盔。

在計劃這次訪問的近一年時間里，我一直期待著看到這臺巨大的望遠鏡投入使用。大約一個月前，建設團隊向天空打開了相機快門，讓第一批光子進入，從那以后，它每天晚上都盡職盡責地采集數據。這個想法是讓我和其他記者觀看望遠鏡拍攝的一些最早的完整圖像。

我到達時，距離托馬斯與攝制組不情愿地關閉望遠鏡僅八個小時。當托馬斯帶我參觀天文臺時，整個建筑都一動不動地躺著，對準地平線。在通往圓頂的路上，我們在T臺架上經過了攝像隊。

“我的相機動了嗎？”托馬斯問隊員們?！白屗鼊影。　彼D向我?！拔覀冊噲D保持積極的態度，但我們都沮喪的不行。”

令人欣慰的是，我能夠清晰地看到那面不同尋常的主鏡。凝視它就像在看一個有趣的房子反射。從圓頂和望遠鏡的其他部分反射的明暗條紋在鏡子的外部看起來幾乎是直的，但在內部卻扭曲和擺動。我來回搖晃，然后蹲下來慢慢站起來，想看看形狀是如何變化的，結果我站起來的時候，人頭暈目眩，差點摔倒。

?相機的冷暖生死

魯賓天文臺是圍繞世界上最大的數碼相機建造的。它重約3000公斤，寬1.65米。

SLAC, ADAPTED BY B. PRICE.

圖片來源: RUBINOBS/NOIRLAB/SLAC/DOE/NSF/AURA, ADAPTED BY B. PRICE

它的探測器由一個傳感器網格組成，每個傳感器約4厘米寬，分為21個“筏”，每個筏有9個傳感器。角筏檢測導向星進行校準。視野可以容納45個滿月。

SLAC, ADAPTED BY B. PRICE.

圖片來源：RUBINOBS/NOIRLAB/SLAC/DOE/NSF/AURA, ADAPTED BY B. PRICE

相機故障的謎團促使托馬斯和她的團隊研究了望遠鏡設計的另一個基本方面，也就是溫度控制。

保持相機的探測器低溫至關重要。熱能可以觸發CCD釋放電子，這可以模擬太空中物體的信號。保持盡可能低的溫度有助于確保探測器只報告實際來自天空的光子。魯賓將收集前所未有數量的光子，每三到四天觀測一次南半球的整個可見夜空。

探測器背面還有一個-123攝氏度的金屬低溫板，以及有一個-40攝氏度的冷板，全部密封在真空中。制冷管路將冷卻液通過相機，然后從望遠鏡后部蜿蜒流出。即使是閃閃發光的圓頂的外部也是專門設計的，可以反射望遠鏡的陽光。

因此，托馬斯和她的同事們急于弄清楚為什么冷凍板在5月的那個晚上凌晨3點突然升溫？

在調試階段，當機組人員對新望遠鏡進行測試時，預計會出現危機。魯賓委托美國SLAC國家加速器實驗室的研究員凱文·范寧說：“你在實驗室里測試即使一切完美，現實總是會給你一巴掌?！?/p>

不過，范寧說，魯賓在過去的一個月里工作得出奇地好。這是它的第一次危機。但蘇黎世大學的委托科學家肖恩·麥克布賴德在我訪問期間告訴我，這種影響可能比檢測假光子更糟糕。

隨著裝有CCD的寒冷外殼內溫度的升高，壓力也會升高。相機中的材料可能會釋放出可能卡在傳感器上的氣體，這對系統的長期健康非常不利?？赡苄韵喈數停蠊喈攪乐?。這是相機可能發生的最可怕的五件事之一。

到下午三點左右，相機似乎已經恢復了正常。范寧說這是一個線索。

智利的冬天才剛剛開始，事件發生當晚，室外溫度自安裝攝像頭以來首次降至5攝氏度。他說：“今天天氣轉暖，似乎已經恢復。所以我們現在有兩個數據點?！?/p>

也許這個問題與外界溫度有關。但這是一個悖論。為什么低溫板會隨著外部空氣的冷卻而升溫？為什么臨界溫度在5攝氏度左右，而不是零度？“在那個溫度下，沒有多少東西會改變狀態。”。這令人百思不得其解。

在5月9日下午4點45分的一次計劃會議上，范寧提出了一個實驗：故意將望遠鏡圓頂冷卻到5攝氏度，看看冷凍板是否也出現同樣的故障。研究小組決定等待圓頂外的溫度降至內部溫度以下，然后稍微打開圓頂，讓一些冷空氣進入，看看低溫板是如何反應的。

下午6:30，室內溫度為9.74?C，室外溫度為11.69?C。團隊拿出一包Uno卡，開始了等待。

? 四大科學驅動力

魯賓的設計從一開始就被四類核心科學問題牽著走。

魯賓的寬而深的天空調查將追蹤大約200億顆恒星和數千顆系外行星。預計它還將發現約200億個以前未知的星系（已知的星系標記為綠色），為星系如何形成提供新的線索。

圖片來源：RUBINOBS/NOIRLAB/SLAC/NSF/DOE/AURA

魯賓將把已知小行星（新小行星標記為藍）的數量增加10到100倍。它還可以發現星際物體和外太陽系中巨大的第九顆行星（如果有的話）。

圖片來源：RUBINOBS/NOIRLAB/SLAC/NSF/DOE/AURA

魯賓的暗界繪圖還將通過精密的大尺度結構測繪暗物質。

圖片來源：RUBINOBS/NOIRLAB/SLAC/NSF/DOE/AURA

快速反應的魯賓將能夠捕捉瞬態，也就是任何在天空中移動和變化的東西。這包括脈沖星（標記為黃色圓圈）、黑洞、超新星和強烈伽馬射線爆發的余輝。

圖片來源：RUBINOBS/NOIRLAB/SLAC/NSF/DOE/AURA, ADAPTED BY B. PRICE

?開放數據，閉門挑戰

到晚上10點，天文臺外的溫度還沒有下降。氣溫翻到上升了2度。

范寧打趣道：“我個人覺得現在的天氣不尊重我?！比欢?，第二天早上，他心情很好。低溫板保持了涼爽，原來故障是由外面的寒冷引發的。

也許制冷劑回路中的油開始凝結，無法像正常情況下那樣有效地冷卻低溫板。也許一些水意外地被困在一根細管中，凍結成固體，導致堵塞。如果我們能找出冷點在哪里，就可以用更多的隔熱材料包裹它，就像家里的水管一樣。

機組人員最終在當晚重新打開了相機，到第二天晚上，他們又恢復了正常的觀察。范寧告訴我，他們仍在調查這個問題，但他們計劃在相機和低溫壓縮機之間的管道上添加一些隔熱材料。

范寧在郵件中寫：“我的老天，這真是一個艱難的周末，不過我們取得的進展以及速度讓人非常高興。這就是我喜歡調試新系統的原因?！?/p>

在魯賓為期10年的調查中，科學家們將收獲?數千張相同天空斑塊的圖像。這些疊加的圖像將使亮點更亮，黑點更暗，從而使更暗、更遠的物體彈出。

圖片來源：RUBINOBS/NOIRLAB/SLAC/NSF/DOE/AURA

6 月，魯賓發布了首批試運行圖像。僅 用了10 小時，魯賓就掃描然后拼接出了 1000 萬個星系、識別出 2000 多顆此前未知的小行星。魯賓最終將把拼湊起來的圖像拼湊在一起，每分鐘都會添加一個新補丁。未來 10 年里，它將把同一片天區反復疊加成千上萬次，亮的更亮、暗的更暗，讓極暗弱的遠方目標凸顯出來。

魯賓 90% 的時間將用于巡天，少量時間預留給超新星、引力波等。這套調度復雜到無法人工決策，所以一個叫 Scheduler 的軟件會自主根據各類告警與權重決。魯賓也因此被戲稱為“一位懂我們關心什么的機器人天文學家”。

魯賓的數據幾乎實時產出、在自己的服務器上處理存儲，科學家可以把自己的分析軟件帶到數據旁邊。更棒的是，任何人都能上網玩轉魯賓的數據，學生與業余愛好者也不例外。“真正決定你能做出何種科學成果的，是你的創意、知識與恒心?！盜vezi? 說。

但這種開放的研究哲學是在美國科學收縮之際出現的...白宮提出的2026財年預算將從美國國家科學基金會削減50多億美元，從美國能源部的科學預算削減10多億美元。截至發稿時，國會似乎準備拒絕該提案，目前還沒有通過預算法案。

現在削減資金以阻止望遠鏡的完工已經太晚了。但科學家們擔心未來十年資金的連續性，以及將繼續這項工作的年輕科學家的職業生涯會如何發展。

“為什么你不建造一個世界級的、獨特的設施，不從中獲得科學收益？”泰森說。

特朗普政府還削減了對多樣性項目的資助。天文臺于2019年特朗普第一屆政府期間以魯賓的名字命名，特朗普本人簽署了一項國會法案，宣布魯賓是美國第一個以女性命名的主要天文臺。所以魯賓項目從一開始就將外聯和多樣性舉措融入了任務中。

但在特朗普第二次就職后不久，魯賓在天文臺網站上的傳記就被修改了，目前多樣性、公平性和包容性的內容不見了。

與此同時，地面天文學還面臨一個全行業的新風險。

SpaceX于2019年就開始開始發射星鏈了，其他一些公司也在參與其中。迄今為止，作為超級星座項目的一部分，已經發射了9000多顆。一些專家預計，在未來十年，人類將在近地軌道上發射5萬到50萬顆衛星。當這些衛星穿過魯賓的視野時，它們會在探測器上留下一條長長的白色條紋，阻擋或以其他方式破壞望遠鏡的圖像。

科學家們正在尋找的解決方案，比如可以區分宇宙物體和衛星條紋的數據處理軟件。2022年的一篇論文還提出了一種改變調度器算法的方法，以盡可能避免條紋，盡管這將犧牲儀器約10%的觀測時間。這種權衡是否值得，取決于調查會損失多少科學，目前尚不清楚。

? 喚醒沉睡的巨龍

在我五月份從山上下來的大約一個小時前，工作人員判定系統健康，決定讓望遠鏡復活。那天早上，現場工作的每個人，大約15人，都匆匆忙忙地上樓到圓頂觀看。巨大的白色圓屋仿若教堂，內壁貼滿黑色消光波紋板，既吃掉了雜散光，也吸掉了回聲。當我們進入時，圓頂正在旋轉，感覺就像我們下面的地板在移動。

范寧坐在滾輪椅上，手持筆電向系統下達一串預編排動作：抬頭、低仰到高仰的斜向轉位、原地回轉 180°……魯賓動起來像一條蘇醒的巨龍，流暢、堅定、優雅、敏捷。它仰起頭顱，舒展肩背，把面龐轉向天空，準備睜眼，看宇宙。

責任編輯：郭皓存

牧夫新媒體編輯部

『天文濕刻』 牧夫出品

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