每三天“掃描”一遍宇宙：墨子巡天望遠(yuǎn)鏡如何實(shí)現(xiàn)“墨經(jīng)”中的光學(xué)夢(mèng)想？

“日月安屬，何所不照？”

2000年前，屈原在《天問》中的詩(shī)句反映了他對(duì)宇宙奧秘的深刻探求。自古以來(lái)，天文就是中國(guó)文化的重要組成部分。在公元前14世紀(jì)的殷墟文化遺跡中，我們便可看到那時(shí)人們對(duì)天象的細(xì)致觀察記錄。可以毫不謙虛地說，在歐洲文藝復(fù)興之前，我國(guó)就是天文現(xiàn)象最精確的觀測(cè)者，記錄也是保存得最好的。古代農(nóng)業(yè)活動(dòng)的高度繁榮推動(dòng)了天文觀測(cè)儀器和方法的發(fā)展，我國(guó)古代對(duì)天文的觀測(cè)始終領(lǐng)先于全球。古時(shí)候的中國(guó)人制定了極其精密的歷法來(lái)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)活動(dòng)。郭守敬在13世紀(jì)編訂的歷法，已經(jīng)將一個(gè)回歸年計(jì)算到365.2425天的精度，比歐洲的格里高利歷早了300年。

▲郭守敬，元朝時(shí)期最著名的水利工程師、天文學(xué)家、儀表制造專家

文藝復(fù)興時(shí)期和隨后的大航海時(shí)代，航海和貿(mào)易活動(dòng)大大拓展了歐洲人的活動(dòng)范圍，測(cè)繪定位的需求和工業(yè)及物理學(xué)的發(fā)展極大推動(dòng)了天文學(xué)的研究，我國(guó)的天文研究自那時(shí)起開始逐漸落后。天文學(xué)是以觀測(cè)為根本的學(xué)科，其發(fā)展基于人們對(duì)未知夜空的探索渴望。開普勒的老師第谷可能是最后一個(gè)靠肉眼觀測(cè)記錄引導(dǎo)重大天文發(fā)現(xiàn)的天文學(xué)家。此后，先進(jìn)的天文學(xué)觀測(cè)設(shè)備成為推動(dòng)天文學(xué)發(fā)展的重要引擎，每一次重大發(fā)現(xiàn)往往都建立在觀測(cè)能力的跨越式進(jìn)步之上。

我們的前輩也早早意識(shí)到了這一點(diǎn)。在民國(guó)時(shí)期，建立在南京玄武區(qū)紫金山第三峰天堡峰上的紫金山天文臺(tái)，是中國(guó)自己建立的第一個(gè)現(xiàn)代天文學(xué)研究機(jī)構(gòu)，被譽(yù)為“中國(guó)現(xiàn)代天文學(xué)的搖籃”。隨著城市的發(fā)展，位于城市內(nèi)或附近的天文臺(tái)的觀測(cè)條件逐漸無(wú)法滿足天文學(xué)觀測(cè)的要求。20世紀(jì)80年代后，天堡峰上的天文臺(tái)改建為了天文科普基地，而我們尋找優(yōu)秀觀測(cè)臺(tái)址的腳步從未停下。

▲紫金山天文臺(tái)遠(yuǎn)眺

自上個(gè)世紀(jì)以來(lái)，我們?cè)谟钪嬗^測(cè)和理解方面取得了前所未有的突破。現(xiàn)代天文學(xué)的發(fā)展需求推動(dòng)了望遠(yuǎn)鏡性能的極大提升，使其能夠觀察到更遙遠(yuǎn)、更暗淡的天體，并提高觀測(cè)的精準(zhǔn)度。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，科學(xué)家們不遺余力，甚至將望遠(yuǎn)鏡發(fā)送到外太空，以避開地球大氣和人為燈光污染的干擾。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡就是在這種條件下極大地拓寬了人類的視野，它所拍攝的瑰麗夜空是無(wú)數(shù)孩童天文夢(mèng)想開始的地方。盡管太空為天文觀測(cè)提供了極佳的環(huán)境，但由于成本、體積和重量的限制，地面天文臺(tái)依然發(fā)揮著不可替代的作用。

對(duì)于地面天文觀測(cè)而言，選擇合適的臺(tái)址是至關(guān)重要的。關(guān)鍵指標(biāo)如視寧度、露點(diǎn)、晴夜數(shù)及天光背景亮度等都是評(píng)估觀測(cè)站優(yōu)劣的重要因素。視寧度代表著觀測(cè)站區(qū)域上空大氣的穩(wěn)定程度，被稱為大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的生命線。大氣不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致星像模糊，就如同我們站在河岸邊透過泛起漣漪的河水觀看水下的游魚。晴夜數(shù)決定了天文學(xué)家可用的觀測(cè)時(shí)間。天光背景亮度決定了望遠(yuǎn)鏡能夠看到的天體的暗弱極限和宇宙空間的最大范圍。在過去幾十年里，天文學(xué)界公認(rèn)世界上有三大頂級(jí)的觀測(cè)臺(tái)址：夏威夷的馬納基亞（Mauna Kea），智利的塞羅帕拉納爾（Cerro Paranal）和西班牙加那利群島的拉帕爾馬島（La Palma）；在這三大頂級(jí)天文觀測(cè)圣地上，都建設(shè)有10米級(jí)口徑的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，極大地豐富了我們對(duì)宇宙的了解。

西北高原上的小鎮(zhèn)，全球天文學(xué)界的焦點(diǎn)

隨著中國(guó)天文學(xué)的快速發(fā)展，對(duì)優(yōu)質(zhì)觀測(cè)臺(tái)址和先進(jìn)天文設(shè)備的需求日益增長(zhǎng)。華夏土地地大物博，幅員遼闊，是否存在一個(gè)各項(xiàng)指標(biāo)與世界三大天文臺(tái)比肩的觀測(cè)臺(tái)址呢？2021年，中國(guó)科學(xué)院的鄧?yán)畈爬蠋煹热嗽谇嗪Ｊ『Ｎ髦菝Ｑ率械睦浜?zhèn)旁找到了這樣一個(gè)臺(tái)址。他們自2018年起開始在海拔四千多米的賽什騰山上對(duì)這里的夜空和空氣進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)，并于2021年在《自然》雜志上發(fā)表了他們的研究成果。這些成果表明，賽什騰山臺(tái)址的觀測(cè)條件完全不遜色于世界三大頂級(jí)觀測(cè)臺(tái)址，使這個(gè)位于西北青藏高原上的小鎮(zhèn)一躍成為全球光學(xué)天文學(xué)界的焦點(diǎn)。

六十年前，這里曾是中國(guó)四大油田之一，每年產(chǎn)油超過二十萬(wàn)噸，近十萬(wàn)名工人和家庭在此安家落戶。隨著石油資源的逐漸枯竭，曾經(jīng)繁華的小鎮(zhèn)逐步衰落，最終僅剩數(shù)百人常住，幾近荒廢。廢棄的建筑和遼闊的戈壁灘成了游客的打卡背景，靜靜訴說著昔日的輝煌與今日的寂寥。

▲星空下的戈壁灘。（供圖：馬瀟漢）

然而，隨著賽什騰山被認(rèn)定為世界頂級(jí)的天文觀測(cè)地點(diǎn)，這片被遺忘的土地迎來(lái)了科學(xué)的曙光。賽什騰山旁的小鎮(zhèn)冷湖，經(jīng)歷了六十年的沉寂后，如今再次煥發(fā)出勃勃生機(jī)。目前，山上已經(jīng)部署了超過35臺(tái)大大小小的天文望遠(yuǎn)鏡，總投資額達(dá)到了20億人民幣。這些望遠(yuǎn)鏡中的一部分已經(jīng)建設(shè)完成并開始投入使用，它們不僅為天文學(xué)家提供了研究宇宙的新工具，也為冷湖鎮(zhèn)帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)活力和希望。這個(gè)曾經(jīng)因石油而繁榮，因資源枯竭而衰退的小鎮(zhèn)，現(xiàn)在正逐步轉(zhuǎn)型為一個(gè)科學(xué)研究和天文觀測(cè)的重要基地。

▲2020年冬季賽什騰山的雪后夕陽(yáng)，天文臺(tái)籠罩在落日余暉中。（供圖：鄧?yán)畈牛?/p>

截至目前，賽什騰山上最顯著的設(shè)備莫過于由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)共建的“墨子”巡天望遠(yuǎn)鏡。官方稱其為大視場(chǎng)巡天望遠(yuǎn)鏡（WFST），該望遠(yuǎn)鏡自2023年底啟動(dòng)巡天工作。"墨子"特別設(shè)計(jì)用于快速巡天觀測(cè)，配備了2.5米直徑的主鏡、先進(jìn)的主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)，以及一個(gè)由九塊9K*9K規(guī)模的CCD拼接成的7.65億像素相機(jī)。它最引人注目的特點(diǎn)是其“寬視場(chǎng)”，每次拍攝能夠覆蓋6.55平方度的夜空天區(qū)。為了讓讀者直觀感受到這個(gè)面積的大小，可以嘗試一個(gè)小實(shí)驗(yàn)：將大拇指豎起并伸直手臂，此時(shí)你的大拇指指甲蓋大約占據(jù)了2平方度的視場(chǎng)，而滿月的視面積還不足0.2平方度。"墨子"通過在不同光學(xué)波段上連續(xù)拍攝，能以每三天一次的頻率持續(xù)掃描北天。

▲賽什騰山上的墨子巡天望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)景（視頻來(lái)源：MREnderman）

墨子巡天，觀候明變

我們已經(jīng)詳細(xì)探討了“墨子”巡天望遠(yuǎn)鏡的獨(dú)特之處，這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡以其快速的巡天觀測(cè)能力而著稱。但快速的巡天觀測(cè)到底有何科學(xué)意義呢？

想象一位魚類研究人員，如果他只在幾個(gè)小海灣進(jìn)行采樣，雖然也能收集到一些魚類標(biāo)本，但這些結(jié)果只能反映局部情況，難以揭示整個(gè)海洋中魚類的分布。類似地，通過對(duì)廣闊夜空的系統(tǒng)性重復(fù)觀測(cè)，巡天望遠(yuǎn)鏡幫助我們繪制出包含星系、星系團(tuán)乃至宇宙物質(zhì)的詳盡分布圖，建立一張宇宙奧秘的完整拼圖。在此過程中，我們還能持續(xù)記錄天體變化、發(fā)現(xiàn)新的天體和天文現(xiàn)象，探測(cè)以前未知的小行星等，為理解恒星、超新星等天體的動(dòng)態(tài)過程提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

▲墨子巡天望遠(yuǎn)鏡圓頂上開有天窗，遙遠(yuǎn)的星光就是從這個(gè)天窗照射到厚達(dá)12厘米的主鏡上，主鏡上會(huì)鍍一層銀色的鋁反射膜。（視頻來(lái)源：MREnderman）

這種觀測(cè)不僅有助于捕捉如致密天體并合的電磁對(duì)應(yīng)體等罕見宇宙事件，還極大地推動(dòng)了圖像處理和數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展。巡天觀測(cè)的長(zhǎng)期性和系統(tǒng)性，就像是在叢林中設(shè)置的攝像機(jī)，不斷地監(jiān)視野生動(dòng)物的活動(dòng)，為我們帶來(lái)了海量的數(shù)據(jù)，引導(dǎo)了數(shù)據(jù)處理方法的重大變革，極大地豐富了我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。

針對(duì)“墨子”巡天望遠(yuǎn)鏡的強(qiáng)項(xiàng)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已制定了一套獨(dú)特的巡天觀測(cè)策略。在接下來(lái)的六年里，它將執(zhí)行兩個(gè)主要的巡天項(xiàng)目，覆蓋廣闊的天空區(qū)域并高效地收集數(shù)據(jù)。寬視場(chǎng)巡天（WFS）計(jì)劃將覆蓋約8000平方度的北天區(qū)域，在四個(gè)不同的光學(xué)波段進(jìn)行觀測(cè)。這個(gè)項(xiàng)目在空間尺度上顯示出系統(tǒng)性，每個(gè)觀測(cè)子區(qū)域在六年內(nèi)將被拍攝約90次，每次曝光時(shí)間為30秒，確保收集充足的數(shù)據(jù)來(lái)記錄天體的變化，如近地天體的運(yùn)動(dòng)或河外天體的亮度變化。

此外，深度高頻u波段巡天（DHS）計(jì)劃將執(zhí)行一個(gè)更為高時(shí)間頻次的巡天模式，專注于捕捉時(shí)間尺度上的變化。每年將對(duì)圍繞赤道的約720平方度區(qū)域進(jìn)行深入觀測(cè)，特別關(guān)注瞬時(shí)和暫現(xiàn)的天體現(xiàn)象，如超新星的早期爆發(fā)和其他快速變化的事件。

這兩種策略為“墨子”巡天望遠(yuǎn)鏡量身定制，不僅提供了關(guān)于宇宙結(jié)構(gòu)的重要數(shù)據(jù)，還幫助天文學(xué)家深入理解天體物理現(xiàn)象的時(shí)間變化。更重要的是，“墨子”觀測(cè)的北天區(qū)域與LSST觀測(cè)的南天球形成互補(bǔ)，使我們能夠獲得關(guān)于整個(gè)天空的全面視圖，極大地推動(dòng)了天文學(xué)研究的全球協(xié)同和數(shù)據(jù)共享。這種基于時(shí)域天文學(xué)的巡天觀測(cè)，是探索宇宙的一個(gè)重要前沿方向，預(yù)示著天文學(xué)研究的新篇章。

▲墨子巡天望遠(yuǎn)鏡拍攝的仙女座星系(M31)首光圖片。仙女座星系距離地球約250萬(wàn)光年，直徑約20萬(wàn)光年。這張照片是墨子巡天望遠(yuǎn)鏡通過每次30秒共計(jì)150次曝光，得到的150張照片疊加合成。（供圖：中國(guó)科學(xué)院）

在2023年八月，就在“墨子”巡天望遠(yuǎn)鏡落成前夕，我有幸親自前往冷湖鎮(zhèn)賽什騰山，親眼見證了這座巡天重器的壯觀。從冷湖鎮(zhèn)出發(fā)，沿著G215國(guó)道向東，一條灰黑的柏油公路穿越無(wú)垠的赤色大漠，蜿蜒曲折地引領(lǐng)我們攀登至賽什騰山頂。站在那里，我試圖想象，在這條公路建成之前，鄧?yán)蠋熀涂蒲袌F(tuán)隊(duì)是如何克服重重困難，到達(dá)這片偏遠(yuǎn)的高地的。同時(shí)，我對(duì)那些參與修建這條道路的工人和政府所付出的艱苦努力深感敬意。

觀賞著夕陽(yáng)下巨大的白色圓頂和遠(yuǎn)方地平線上若隱若現(xiàn)的公路，我深刻感受到人類對(duì)未知自然的好奇心有多么強(qiáng)烈。現(xiàn)在的賽什騰山上，一個(gè)個(gè)白色的建筑從堅(jiān)硬的巖石中拔地而起，其中不僅有光學(xué)巡天的50BiN望遠(yuǎn)鏡、專注于恒星震蕩研究的SONG望遠(yuǎn)鏡，還有搜尋和研究太陽(yáng)系小天體的紫金山天文臺(tái)多應(yīng)用巡天望遠(yuǎn)鏡陣列、專注于行星大氣光譜觀測(cè)的PAST望遠(yuǎn)鏡，以及國(guó)際領(lǐng)先的、用于太陽(yáng)磁場(chǎng)精確測(cè)量的中紅外觀測(cè)系統(tǒng)（AIMS）太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡。在“墨子”巡天望遠(yuǎn)鏡背后的另一座山峰上，塵土飛揚(yáng)中，清華大學(xué)的6.5米口徑寬視場(chǎng)光譜巡天巡天望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址也正在緊張建設(shè)中。

▲星空下的冷湖實(shí)驗(yàn)室。（供圖：馬瀟漢）

回顧歷史，兩千五百年前的墨子，作為華夏大地上的科學(xué)先驅(qū)，通過最早的小孔成像實(shí)驗(yàn)，揭示了光的直線傳播本性。如今，以他命名的“墨子”巡天望遠(yuǎn)鏡依托眾多科學(xué)家的不懈努力而矗立于此，不僅是對(duì)墨子精神的繼承，也預(yù)示著這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡將在科學(xué)史上留下濃墨重彩的一筆。