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发布日期：2024-12-16 作者：开云
蔡峥 清华年夜学天文系副主任、深空手艺中间副主任。代表作颁发在Science、Nature Astronomy等国际知名杂志，获第六届“科学摸索奖”，清华年夜学学术新人奖，其研究功效入选清华年夜学最受师生存眷的十年夜亮点功效。
MUST概念图。演讲人供图
巡天之路
有人曾问我：你们天文系的人是做甚么的？我回覆他：我们是研究宇宙的。
甚么是宇宙？2000多年前的中国前人就给出过谜底：“往古来今谓之宙，四方上下谓之宇。”（《淮南子》）宇宙，恰是空间和时候。
人类对宇宙的不雅察和摸索，自数千年前延续至今。
公元前3000年摆布，古埃和人按照对天狼星的持久不雅察，制订了最早的太阳历，将一年定为365天。年夜约在公元前5世纪，古巴比伦人就已知道了黄道，并把黄道带划分为十二个星座，以神话中的神或动物定名。
在我国山西陶寺遗址，考古工作者发现了4000多年前的不雅象台，这也是今朝世界上已知最古老的不雅象台遗址。3000多年前商王武乙期间的牛胛骨上已完全刻上了六十干支；在已发现的甲骨卜辞中还相当数目的日月蚀、新星、超新星的记录。以陶寺为出发点，从河南登封的测景台，到东汉张衡的浑天仪，再到元朝郭守敬的《授时历》，都是古老中国不雅察时候空间的汗青注解。
中世纪，阿拉伯人建造了巴格达聪明宫、马拉盖天文台等闻名的天文不雅测机构。1576年，丹麦天文学家第谷成立了世界上最早的年夜型天文台，并进行了四十余年不中断的天文不雅测，为十六世纪供给了最完全、最周详的不雅察资料，这是人类仅凭肉眼不雅测宇宙所能到达的最高程度。
1609年—1618年，德国天文学家开普勒一向致力在寻觅和量化行星活动的物理缘由，颠末周密的计较，他发现了闻名的行星活动三定律，为“万有引力定律”的发现供给了主要开导。1609年，意年夜利物理学家伽利略发现了最早的千里镜。利用便宜的千里镜不雅察太空，他发现了太阳自转、木星的四个卫星等一系列主要现象。1668年，英国物理学家牛顿发现了第一台反射式千里镜。从科技史的角度来看，这些对天文、天然纪律的科学发现，直接开导了第一次工业革命，极年夜地鞭策了出产力成长并深远地改变了世界款式。
现代宇宙不雅测的初步发源在爱因斯坦提出广义相对论。二十世纪二十年月，美国天文学家爱德温 哈勃利用2.5米口径光学千里镜不雅测河外星系，第一次看到了宇宙的膨胀，这成为年夜爆炸理论的主要证据，开启了现代宇宙学的研究汗青。二十世纪六十年月的四年夜天文发现，两项取得诺贝尔物理学奖。此中宇宙微波布景辐射与二十世纪九十年月最先实行的年夜范围星系巡天都注解宇宙空间满盈着暗物资，人们熟知的通俗物资（原子和份子）只占宇宙物资密度的很小一部门。二十世纪末的不雅测进一步注解宇宙正在暗能量差遣下加快膨胀，三位天体物理学家是以取得2011年诺贝尔物理学奖。
进入新世纪，人类对系外行星的研究从“发现模式”迈入年夜数据“统计模式”。截至今朝，人类已发现了近5000颗系外行星。2015年，在广义相对论颁发100周年之际，人类第一次探测到了来自宇宙空间的引力波，这一功效在2017年取得诺贝尔物理学奖。2018年，位在南极的冰下探测器捕获到一个来自遥远黑洞的中微子，宣布天文学已进入“多信使时期”，人类可以操纵电磁波、引力波和中微子等多种载体对宇宙进行不雅测。
巡天之因
我常常还会碰到人们的另外一个发问：人类为何要不雅察宇宙？
这个问题跟着时候空间的转变是有分歧具体谜底的。
对前人而言，不雅察宇宙的目标，包罗办事历法更替、农业出产、观光帆海、仪式、占卜祭奠等。这就是中国前人所说的“乃命羲和，钦若昊天，历象日月星斗，敬授平易近时”（《尚书》）。
在十七世纪，跟着欧洲年夜学的鼓起，陪伴哥白尼“日心说”、牛顿三定律和万有引力被前后提出，人们得以更科学地熟悉宇宙；同时，跟着帆海勾当增多，社会对导航所需的恒星位置和行星活动的研究也在上升。同时，机械制造业的成长也为制造更周详的不雅测仪器供给了可能。
而当天文学成长到今天，我们可以回覆说，不雅察宇宙是为了熟悉全部宇宙。全部宇宙有多年夜呢？此刻已知的宇宙，其巨细接近900亿光年，这是进入“切确宇宙学时期”的我们比力清晰的。我们常说宇宙触及空间和时候，那末宇宙时候又有多长呢？切确宇宙学告知我们，宇宙大要有138亿年。那末我们又该如何来熟悉这138亿年呢？跟着宇宙愈来愈膨胀，其密度愈来愈下降，宇宙密度低到必然水平的时辰，我们发现有一种神秘的气力——暗能量在起感化。“发现暗能量”是2011年诺贝尔物理学奖得主获奖的首要缘由。暗能量在年夜标准上其实不是引力，而显现出一种“斥力”，驱动全部宇宙加快膨胀，在宇宙膨胀的进程中，暗能量占了69%，别的还26%的暗物资，可见物资最多只占5%，也就是说，宇宙中最少95%我们还不知道。
跟着经济、科技的成长，现代宇宙不雅测已不但是为了促进人类常识和手艺，还触及空天范畴、国度平安、经济成长、社会福祉等多方面。这里我简单介绍一些大师身旁源自天文学的事物：二十世纪七十年月为不雅测暗弱的深空天体旌旗灯号，人们发现了背照式CCD（电荷耦合器件，Charge-coupled Device），年夜幅晋升了CCD的效力，成果是让我们有了代替胶片的新的摄影手艺。并且CCD对人工智能成长也有主要影响——人工智能三年夜主要的先决前提是算法、算力和数据，此中最主要的数据就是CCD供给的。还大师此刻经常使用的WiFi，也是在摸索“霍金辐射”中研发的手艺。另外在原子能、新能源等方面，天文学亦有进献。简而言之，天文不雅测成长至今，极年夜地鞭策了其他天然科学和高新手艺，如光学、机械、电子、节制等科技成长。
关在宇宙不雅测的最终意义，我认为应是发现新纪律，拓展人类的摸索鸿沟，特殊是发现“未知的未知”（乃至并不是如“暗能量”“暗物资”这类“已知的未知”）。同时，摸索将来宇宙中包含的巨量的资本，回覆能量来历、宇宙发源、生命发源、人们从何处来、到何处去的最终问题，揭秘引力与其他感化力的同一、系外聪明生命、虫洞、时候穿梭等，为将来的星际观光堆集需要的常识和手艺。可以说，天文是永久的科学前沿，为人类想象力插上无形的同党。
巡天之望
人类不雅测宇宙的体例多种多样，跟着科技的前进，这些体例也在不竭成长和演化：
（1）光学（首要包罗红外线、可见光线、紫外线）千里镜不雅测：光学千里镜是汗青最悠长、利用最普遍同时也是直至此刻还在快速成长的一类千里镜，由此催生了进步前辈光学、周详电控、高活络探测器等办事社会的手艺成长。它们领受的光的波长首要从几十纳米到几十微米不等，已知最早的光学千里镜呈现在1608年的荷兰，以后伽利略对千里镜的原型进行了改良，并将其利用在天文学。牛顿在1668年制造出第一架反射镜。卡塞格林在1672年利用一个小凸面镜作为第二反射镜，将光线反射穿过主镜中间洞孔，进一步改良了光学成像的质量。傅科在1857年引入了在玻璃镜面上镀银的法式，年夜年夜增添了反射效力。二十世纪以来，一系列口径愈来愈年夜的、以玻璃作为镜面的反射镜陆续被建造出来，欧美的十米级光学千里镜获得的功效在近年取得了多项诺贝尔奖。我利用最多的也是光学千里镜，光学千里镜利用普遍，天体发射的旌旗灯号在这一波段也最遍及。
（2）射电天文学不雅测：二十世纪三十年月鼓起，人们操纵无线电装备领受来自太空的无线电波。与光学千里镜比拟，它们领受的光的波长很是长，可以从零点几厘米到数米不等。射电天文学使我们可以或许探测到在“可见光波段”内很是昏暗的天体，好比脉冲星、类星体、快速射电暴等，而且可以穿透尘埃云不雅察星系中间区域。好比我国的“天眼”就是全球最年夜的单体射电千里镜，已有了很好的发现。
（3）X射线和伽马射线不雅测：高能天文学专注在X射线和伽马射线如许的高能量辐射。与光学千里镜比拟，其探测光的波长很短，首要从百分之一纳米到几个纳米。它们凡是由极端物理前提下的天体发出，例如黑洞四周、超新星爆发等。因为X射线、伽马射线几近完全被地球年夜气层所反对，所以此类不雅测必需在太空中进行。
（4）引力波不雅测：2015年，人类初次直接探测到引力波，标记着一个全新的不雅测窗口开启。引力波是由强引力场事务（如双黑洞归并）发生的时空涟漪，LIGO（激光干与引力波天文台）和Virgo（室女座干与仪）等地面举措措施可以检测到这些微弱旌旗灯号，供给了一种分歧在电磁波的新视角。
近十年来，深空探测、天体物理方面的研究功效已五获诺贝尔奖。将来十年，宇宙探测成长将显现进一步加快态势。在此布景下，光学千里镜首要有以下几个标的目的的成长趋向：
更年夜的口径：不管是已服役的新一代太空千里镜詹姆斯 韦伯千里镜（JWST），仍是当前正在扶植的30米级欧洲极年夜千里镜（E-ELT）等，这些巨型千里镜将具有史无前例的分辩率和活络度，可以或许捕获到更微弱、更遥远的天体旌旗灯号。但是，这些超年夜口径千里镜的视场都很小（几个平方角分的量级），这意味着每次暴光可以或许笼盖的视角比力小，像E-ELT、JWST等都只能笼盖特殊小的天区，很难做很年夜的巡天。
更多种波段的协同不雅测：将来的天文台将致力在构建一个多波段不雅测收集，连系X射线、紫外线、可见光、红外线、引力波、中微子等多种数据，供给加倍周全而切确的天体图象，进一步揭露素质。
更高的智能化与主动化：人工智能算法将愈来愈多地利用在千里镜的操作治理和数据阐发中。智能调剂系统可以按照气候状态、方针优先级等身分主动放置不雅测打算；人工智能可以帮忙快速处置海量数据，辨认出有价值的信息。
进入二十一世纪，世界各天文强国正在筹建下一代年夜型天文不雅测装备。地面光学千里镜的口径将从此刻的8至10米级增年夜到30至40米；已服役20多年的哈勃空间千里镜（HST）已被詹姆斯 韦伯千里镜（JWST）代替；由九个国度合作的年夜型射电千里镜——平方千米阵列（SKA）也在紧锣密鼓地研制；全球引力波探测打算行将进入到由五台探测器结合工作的GW2.0时期，以空间引力波天文台为主角的GW3.0时期也在酝酿当中。
我国也积极插手到天文不雅测装备的全球竞争中。自21世纪以来，我国千里镜成长获得了显著成绩，特别是在年夜型光学千里镜、射电千里镜和空间天文不雅测范畴。中国科学院国度天文台在2008年建成的年夜视场多方针光纤光谱天文千里镜，别名郭守敬千里镜（LAMOST），是那时世界上最年夜的年夜视场千里镜之一，具有4米的有用口径和5度的视场角。LAMOST首要用在年夜范围巡天，获得了年夜量恒星光谱数据，为研究银河系布局与演变供给了贵重资本。FAST（500米口径球面射电千里镜）俗称“中国天眼”，是今朝世界上最年夜单口径、最活络的射电千里镜，座落在贵州平塘县喀斯特凹地当中。FAST在2016年9月正式启用，在脉冲星发现、星际份子探测等方面获得了一系列主要功效，而且撑持了多项国际合作研究。2017年发射的硬X射线调制千里镜（HXMT）别名慧眼卫星，该千里镜是中国首颗专门用在硬X射线波段的空间天文千里镜，旨在摸索黑洞、中子星等高能天体。该使命弥补了中国在这一范畴的空白，并与其他国际天文举措措施协同工作，配合揭露宇宙奥秘。
将来，中国科学院打算建造10米级口径的通用型地面年夜型光学红外千里镜。清华年夜学、北京年夜学、上海交通年夜学也都在打算建造4米级和以上的年夜口径光学装配用在分歧科学方针的摸索。
此中，多方针宽视场光谱巡天千里镜（MUltiplexed Survey Telescope），是由清华年夜学带领的一个国际领先的下一代天文设备。MUST的主镜口径为6.5米，这块6.5米的主镜也将成为我国有史以来最年夜的单体镜面。除超年夜的主镜面以外，这台千里镜的光学系统很是怪异。我们之前说过，国际上极年夜千里镜常常只有很小的视野（视场），但是，MUST却具有一个很年夜的视场。可想而知，由此带来的光学系统也很是具有挑战性。MUST具有超年夜的副镜、更正镜等，有这些镜子的复杂的光学组合，可以解决“年夜口径”与“年夜视场”之间的矛盾。这些高精度镜面的制造和检测，势必极年夜晋升我国的光学加工检测能力，好比副镜，是一个2.4米的非球面凸面，这些都是我国历来没有做过的高精度镜面。
进步前辈而复杂的光学系统，使得MUST具有7平方度的视场，MUST的一次暴光便可以笼盖30个满月的所有视野，从中获得2万个天体的光谱。如许的设置装备摆设，足以开启人类第五阶段（新一阶段）的光谱巡天。在新的阶段，二维成像巡天特殊多，包罗欧洲的Euclid，美国的LSST、WFIRST，和我国的CSST等，都是以二维成像（摄影片）为主的巡天。将来，天空中有图象的星系数量跨越300亿个，但真正有光谱的星系极可能不足3000万个，两者之间存在着三个数目级的庞大差距。光谱是十分主要的信息，有了光谱，我们便可以知道星系的化学构成，知道它们的距离，可以或许把两维巡天酿成三维巡天，相当在为人类熟悉宇宙的摸索进行“升维”。
是以，MUST从一最先就把星系光谱作为成长的重中之重，也是从这个意义上来讲，MUST不但仅弥补了我国千里镜范畴的空白，也弥补了世界千里镜范畴的空白。
从2019年立项以来，MUST已接收多渠道资金达10亿元。相干扶植已获得主要进展，各分系统均进入具体设计和投产阶段，为我国扶植根本科学装配睁开了新的摸索。MUST成功进入清华年夜学2030立异步履打算A类优先撑持的年夜科学工程项目。2024年11月，MUST的科学白皮书向世界发布，多个国际权势巨子陈述暗示，如许一台光谱巡天千里镜，将是国际上在十亿元人平易近币摆布的小投入下，还可以或许获得重年夜根本研究冲破的绝佳选择。欧美也提出了近似的假想。因为我国在2019年就启动了这项工作，是以在这一重年夜汗青机缘上已获先机，有望更早实现这一世界领先的巡天项目。等候在各界配合尽力下，我们可以或许捉住这个几十年一遇的机缘，在摸索宇宙中“未知的未知”的道路上，进献来自中国的主要气力。而MUST也将把人类带到已知与未知世界的边沿，开导无穷的好奇心与想象力，让人类联袂摸索浩大宇宙，共创夸姣将来。
（作者对讲座文稿有修订）
（原题：《巡天：天文千里镜不雅测宇宙之路》）
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