科學(xué)重器 | 我國正建設(shè)口徑達6.5米的“寬視場巡天望遠鏡”，它有哪些宏大的科學(xué)目標？

大家好，我是清華大學(xué)天文系副教授黃崧，也是“寬視場巡天望遠鏡”項目的聯(lián)合項目科學(xué)家。非常高興能夠參與這個“中國科學(xué)重器"的宣傳策劃。

我們的“寬視場巡天望遠鏡”，MUltiplexed Survey Telescope，或者“寬視場光譜巡天望遠鏡”是清華大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個國際科學(xué)合作和大型科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施，旨在于2030年左右建成一架主鏡口徑6.5米、視場超過6平方度、最終能同時觀測超過2萬個天體光譜信息的地表最強光譜巡天設(shè)施，也是妥妥的科學(xué)重器。

“寬視場巡天望遠鏡”有個響亮的英語縮寫，MUST，英語里“必須”的意思，來自清華大學(xué)天文系前系主任毛淑德教授。我們希望這個簡稱也體現(xiàn)了我們的勇氣和真意。

MUST將在國際上首先開展第五階段宇宙學(xué)光譜巡天，繪制人類歷史上最宏偉的三維宇宙地圖，并嘗試回答諸如暗物質(zhì)到底是什么？暗能量從何而來？宇宙暴漲是什么樣的物理過程？這樣的重大基礎(chǔ)問題。

千萬別看不起6.5米口徑

如果你好奇為何在“30米級地基光學(xué)望遠鏡”即將出現(xiàn)的年代，我們還要斥巨資、投入相當?shù)娜肆ξ锪ㄔO(shè)一臺口徑“只有”6.5米的望遠鏡？可以這么說，即便在30米級地基望遠鏡“橫行”的年代里，也有我們MUST的用武之地。

首先，MUST憑借大視場多目標觀測能力上的優(yōu)勢，依然可以在光譜巡天這個賽道上，成為獨樹一幟的頂尖設(shè)備，打響第五階段宇宙學(xué)的第一槍，把對宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的研究延伸到宇宙早期，去揭示宇宙原初時期的諸多基礎(chǔ)物理問題。

其次，MUST還能圍繞這些重要問題組織并領(lǐng)導(dǎo)國際科學(xué)合作、為國內(nèi)乃至國際天文學(xué)界培養(yǎng)下一代宇宙學(xué)人才、成為未來更宏大觀測宇宙學(xué)項目的“探路者”而積累技術(shù)經(jīng)驗、也能為中國自己未來地面或者空間的觀天巨鏡奠定基礎(chǔ)。

MUST望遠鏡的結(jié)構(gòu)和組成

MUST望遠鏡的光學(xué)核心包括兩面雙曲面的反射鏡和一個被稱為寬視場改正鏡的復(fù)雜光學(xué)“鏡頭”。其中6.5米口徑的凹面主鏡和2.4米直徑的凸面副鏡均為國內(nèi)最大。而寬視場改正鏡中最大的透鏡更是接近了世界罕有的1.6米直徑。在精心設(shè)計下，這個復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)將能在超過6個平方度的大視場內(nèi)確保優(yōu)異的光學(xué)成像質(zhì)量。

另外，在MUST的焦面上，超過2萬個直徑僅為6.2毫米的光纖定位機器人仿佛勤勞的蜜蜂，將在建成后的10年里，孜孜不倦地在他們居住的300多個三角形“蜂房”光纖定位模塊中拖著一根根直徑僅有140微米的特種光纖，以極其精確的方式把來自宇宙深處一個個遙遠星系的光子接收、引導(dǎo)、安置到超過40臺多通道光譜儀中，轉(zhuǎn)化為三維宇宙地圖的一塊塊數(shù)據(jù)線索。

MUST是具備技術(shù)牽引能力的大型光學(xué)設(shè)備

在技術(shù)上，MUST是一架在望遠鏡、或者說大型光機加工技術(shù)上存在很大挑戰(zhàn)、需要技術(shù)創(chuàng)新、具備牽引能力的大光學(xué)設(shè)備。

MUST 6.5米的主鏡不僅是國內(nèi)第一次挑戰(zhàn)同級別大光學(xué)鏡面的加工，更是在國際上第一次在這個級別的地面望遠鏡上使用碳化硅作為鏡面材料，將為未來碳化硅材料在天文和態(tài)勢感知領(lǐng)域的更廣泛應(yīng)用提供重要經(jīng)驗。

在整個望遠鏡的其他方方面面，MUST也都體現(xiàn)了目前國內(nèi)大型光機平臺相關(guān)技術(shù)的最高水平：2.4米凸雙曲面副鏡的輕量化加工和檢測、1米以上大尺寸透鏡的加工和鍍膜、多透鏡寬視場改正鏡的加工和組裝、使用拼接直驅(qū)電機的大規(guī)模地平式轉(zhuǎn)臺等等，這些都是需要國內(nèi)最優(yōu)秀的光機力量認真發(fā)力才能實現(xiàn)的高目標，能夠發(fā)揮技術(shù)拉動作用。

2.4米凸雙曲面副鏡與主鏡的情況類似，這些技術(shù)的發(fā)展和提升不僅可以為我國未來天文設(shè)備作為技術(shù)儲備，也能在若干與經(jīng)濟民生或者國防安全相關(guān)的領(lǐng)域里找到應(yīng)用。

在科學(xué)終端設(shè)備上，MUST與瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的、可裝配超過20,000根直徑只有6.2mm的雙電機驅(qū)動光纖定位器的模塊化焦面是為第五階段光譜巡天量身定做的下一代科學(xué)終端的一部分。

在先進性上，這個直徑只有1.2米的焦面系統(tǒng)匯聚了諸多對MUST科學(xué)目標極其重要的技術(shù)挑戰(zhàn)，在很大程度上對得起“世界第一”這幾個字，不僅對中國、對世界天文學(xué)若干未來的項目都有先導(dǎo)和啟示價值。

更重要的是，得益于MUST巡天望遠鏡的平臺屬性和模塊化設(shè)計，在MUST開始第一期觀測開始后，依然有很多需要補充、國產(chǎn)替代、升級換代的技術(shù)需求，對許多相關(guān)的產(chǎn)業(yè)門類有“保質(zhì)又保量”的要求，能夠?qū)@著天文觀測設(shè)施的“產(chǎn)業(yè)鏈”建設(shè)提供積極的促進作用。

在完整設(shè)計觀測能力下，MUST需要用到4萬個4mm尺寸的陶瓷馬達、1,200公里左右的寬波段低吸收多模科學(xué)光纖、數(shù)百片直徑最大可到30cm、性能要求和光刻機一樣的光學(xué)透鏡、80多組高性能體相位全息透射光柵或熔石英蝕刻光柵、120多組小型高可靠性脈管或斯特林制冷機、120多片大像元大靶面低噪聲科學(xué)級探測器，等等。在合適的機遇下，MUST都可以成為某些有志于此企業(yè)幫助我們實現(xiàn)國產(chǎn)替代、破除“卡脖子”的重要契機。

MUST的核心使命

在科學(xué)上，定義下一代大尺度結(jié)構(gòu)宇宙學(xué)的前沿是MUST的最核心訴求。作為星系紅移巡天，MUST所繪制的三維大尺度結(jié)構(gòu)物質(zhì)分布地圖是未來第五階段宇宙學(xué)的重要科學(xué)基礎(chǔ)，能夠?qū)Π的芰俊滴镔|(zhì)、中微子、原初物理（涵蓋了如暴漲宇宙學(xué)、輕殘骸粒子等諸多現(xiàn)有物理學(xué)框架之外的迷人概念）等重要、前沿、基礎(chǔ)性科學(xué)話題做出貢獻。

MUST想要回答的核心科學(xué)問題已經(jīng)延伸到了高能物理、粒子物理的邊界，極大地拓展了MUST作為“大型基礎(chǔ)科學(xué)設(shè)施”的科學(xué)外延。MUST從望遠鏡本體、到儀器、甚至到一根光纖、一片透鏡上怎么選，都是圍繞著這個核心科學(xué)議題打造的。

在2030年代，我們希望奮力實現(xiàn)的是：在大尺度結(jié)構(gòu)宇宙學(xué)，尤其是高紅移大尺度結(jié)構(gòu)這個“賽道”上，MUST能夠成為一架獨樹一幟的領(lǐng)先設(shè)備，賦予她在30米級望遠鏡時代依然能夠成為某個領(lǐng)域“旗艦”的潛力。

在核心科學(xué)驅(qū)動之外，MUST具備兼顧在銀河系結(jié)構(gòu)（通過海量銀河系邊界區(qū)域恒星的視向速度確認）、星系與暗物質(zhì)暈物理關(guān)聯(lián)（通過星系小尺度成團星測量以及與其他探針的結(jié)合）、星系與活動星系核物理（海量中低紅移星系、活動星系核、類星體光譜數(shù)據(jù)的挖掘和統(tǒng)計研究）、乃至?xí)r域天體物理（除了偶然發(fā)現(xiàn)與后隨觀測外，還可以開展大量超新星、TDE宿主星系的統(tǒng)計研究；開展AGN等天體的光譜時域觀測）方向上做出重要的成果。

MUST強化多目標觀測能力和光譜觀測效率的策略可以使其成為在提供光譜數(shù)據(jù)資源上最強大的設(shè)備之一。

如果我們從過去的光譜巡天、或者說巡天類型的觀測中學(xué)到點兒什么的話，那就是：只要積累夠了，驚喜總會到了。從統(tǒng)計學(xué)意義上，“未知的未知”雖然無法被計劃，但其概率也是可以被優(yōu)化的。

在目標選擇與科學(xué)協(xié)同增效上，MUST與中國空間站巡天望遠鏡（CSST）、阿里原初引力波探測計劃（AliCPT）、中國天眼（FAST）、以及其他多個建設(shè)中和設(shè)計中的地面與天文觀測設(shè)備存在良好的合作基礎(chǔ)。

除了MUST定期巡天數(shù)據(jù)的釋放之外，望遠鏡還計劃面向國內(nèi)天文社區(qū)廣泛征集靈活光纖目標，進一步提升MUST光纖利用效率的同時，也能像“通用”望遠鏡那樣，支持小批量、更多樣、靈活科學(xué)目標的觀測。

在國際上，MUST填補了國際天文界在2030-2040年代亟需的多目標光譜觀測能力上的空白。MUST在項目的孕育階段就確立了以國際天文界對地面高效多目標光譜觀測能力的迫切需求作為抓手的底層邏輯。

彌補光譜后隨、紅移、精細觀測能力的重大缺口

從十幾年前對南天光譜巡天望遠鏡的暢想開始，國際天文界多個領(lǐng)域的學(xué)者就共同指出：在歐幾里得望遠鏡-魯賓天文臺-羅曼望遠鏡時代，人類在光譜后隨、紅移、精細觀測能力這些方面還存在重大缺口。

圖：歐幾里得望遠鏡，其主要使命是探索宇宙中最神秘的兩種成分——暗物質(zhì)和暗能量。

圖：魯賓天文臺。其核心使命是以前所未有的精度和廣度繪制宇宙地圖，重點探索暗物質(zhì)、暗能量等宇宙奧秘。

圖：羅曼空間望遠鏡。它肩負著探索暗能量、暗物質(zhì)以及搜尋系外行星等重大科學(xué)使命，以其超寬的視野被譽為哈勃空間望遠鏡的強大繼任者。

為了彌補這個缺口，國際天文界都已經(jīng)有了相應(yīng)的規(guī)劃。從美國天文界Astro2020十年規(guī)劃、到歐洲ASTRONET科學(xué)遠景與基礎(chǔ)設(shè)施路線圖、到歐洲南方天文臺2020科學(xué)規(guī)劃優(yōu)先級社區(qū)普查結(jié)果、到澳大利亞2016-2025天文學(xué)十年規(guī)劃、再到加拿大2020-2030天文學(xué)長期計劃等等都能看得出來。

MUST的建成將標志著我國成為繼美國、德國-法國后又一個具備了6米以上大光學(xué)鏡面生產(chǎn)的國家。這樣的鏡面在地面和空間天文未來的發(fā)展、以及空間域態(tài)勢感知的應(yīng)用上都有著很重要的潛力。

MUST作為應(yīng)運而生的專用光譜巡天設(shè)施，將成為2030-2040年代新一輪“光譜大發(fā)現(xiàn)”的重要設(shè)施基礎(chǔ)，并有望扮演關(guān)鍵角色，提升整個國際天文學(xué)社區(qū)光譜觀測的能力。

自從郭守敬望遠鏡（LAMOST）開始，中國天文界在光譜巡天上有著良好的基礎(chǔ)和傳統(tǒng)。MUST將進一步將這個優(yōu)勢發(fā)揚光大，并將和Vera Rubin天文臺之于美國天文界一樣，在光譜觀測能力上造福整個中國天文界。

本文轉(zhuǎn)載自《騰訊太空》微信公眾號

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