《光明日报》( 2024年12月14日 10版)

蔡峥 清华大学天文系副主任、深空技术中心副主任。代表作发表于Science、Nature Astronomy等国际知名杂志,获第六届“科学探索奖”,清华大学学术新人奖,其研究成果入选清华大学最受师生关注的十大亮点成果。

MUST概念图。演讲人供图

“中国天眼”(维护保养期间拍摄)。新华社发

建设中的日喀则40米射电望远镜。新华社发

陶寺遗址观象台复原。中国社会科学院考古研究所供图

国家天文台阿里观测站的A观测点。新华社发

巡天之路

有人曾问我:你们天文系的人是做什么的?我回答他:我们是研究宇宙的。

什么是宇宙?2000多年前的中国古人就给出过答案:“往古来今谓之宙,四方上下谓之宇。”(《淮南子》)宇宙,正是空间和时间。

人类对于宇宙的观察和探索,自数千年前延续至今。

公元前3000年左右,古埃及人根据对天狼星的长期观察,制定了最早的太阳历,将一年定为365天。大约在公元前5世纪,古巴比伦人就已经知道了黄道,并把黄道带划分为十二个星座,以神话中的神或动物命名。

在我国山西陶寺遗址,考古工作者发现了4000多年前的观象台,这也是目前世界上已知最古老的观象台遗址。3000多年前商王武乙时期的牛胛骨上已经完整刻上了六十干支;在已发现的甲骨卜辞中还有相当数量的日月食、新星、超新星的记载。以陶寺为起点,从河南登封的测景台,到东汉张衡的浑天仪,再到元代郭守敬的《授时历》,都是古老中国观察时间空间的历史注解。

中世纪,阿拉伯人建造了巴格达智慧宫、马拉盖天文台等著名的天文观测机构。1576年,丹麦天文学家第谷建立了世界上最早的大型天文台,并进行了四十余年不间断的天文观测,为十六世纪提供了最完整、最精密的观察资料,这是人类仅凭肉眼观测宇宙所能达到的最高水平。

1609年—1618年,德国天文学家开普勒一直致力于寻找和量化行星运动的物理原因,经过缜密的计算,他发现了著名的行星运动三定律,为“万有引力定律”的发现提供了重要启发。1609年,意大利物理学家伽利略发明了最早的望远镜。使用自制的望远镜观察太空,他发现了太阳自转、木星的四个卫星等一系列重要现象。1668年,英国物理学家牛顿发明了第一台反射式望远镜。从科技史的角度来看,这些对天文、自然规律的科学发现,直接启发了第一次工业革命,极大地推动了生产力发展并深远地改变了世界格局。

现代宇宙观测的开端起源于爱因斯坦提出广义相对论。二十世纪二十年代,美国天文学家爱德温·哈勃使用2.5米口径光学望远镜观测河外星系,第一次看到了宇宙的膨胀,这成为大爆炸理论的重要证据,开启了现代宇宙学的研究历史。二十世纪六十年代的四大天文发现,两项获得诺贝尔物理学奖。其中宇宙微波背景辐射与二十世纪九十年代开始实施的大规模星系巡天都表明宇宙空间弥漫着暗物质,人们熟知的普通物质(原子和分子)只占宇宙物质密度的很小一部分。二十世纪末的观测进一步表明宇宙正在暗能量驱使下加速膨胀,三位天体物理学家因此获得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”迈入大数据“统计模式”。截至目前,人类已发现了近5000颗系外行星。2015年,在广义相对论发表100周年之际,人类第一次探测到了来自宇宙空间的引力波,这一成果于2017年获得诺贝尔物理学奖。2018年,位于南极的冰下探测器捕捉到一个来自遥远黑洞的中微子,宣告天文学已进入“多信使时代”,人类可以利用电磁波、引力波和中微子等多种载体对宇宙进行观测。

巡天之因

我经常还会遇到人们的另一个提问:人类为什么要观察宇宙?

这个问题随着时间空间的变化是有不同具体答案的。

对于古人而言,观察宇宙的目的,包括服务历法更替、农业生产、旅行航海、典礼、占卜祭祀等。这就是中国古人所说的“乃命羲和,钦若昊天,历象日月星辰,敬授民时”(《尚书》)。

在十七世纪,随着欧洲大学的兴起,伴随哥白尼“日心说”、牛顿三定律和万有引力被先后提出,人们得以更科学地认识宇宙;同时,随着航海活动增多,社会对导航所需的恒星位置及行星运动的研究也在上升。同时,机械制造业的发展也为制造更精密的观测仪器提供了可能。

而当天文学发展到今天,我们可以回答说,观察宇宙是为了认识整个宇宙。整个宇宙有多大呢?现在已知的宇宙,其大小接近900亿光年,这是进入“精确宇宙学时代”的我们比较清楚的。我们常说宇宙涉及空间和时间,那么宇宙时间又有多长呢?精确宇宙学告诉我们,宇宙大概有138亿年。那么我们又该怎样来认识这138亿年呢?随着宇宙越来越膨胀,其密度越来越降低,宇宙密度低到一定程度的时候,我们发现有一种神秘的力量——暗能量在起作用。“发现暗能量”是2011年诺贝尔物理学奖得主获奖的主要原因。暗能量在大尺度上并不是引力,而呈现出一种“斥力”,驱动整个宇宙加速膨胀,在宇宙膨胀的过程中,暗能量占了69%,另外还有26%的暗物质,可见物质最多只占5%,也就是说,宇宙中至少95%我们还不知道。

随着经济、科技的发展,现代宇宙观测已经不仅是为了增进人类知识和技术,还涉及空天领域、国家安全、经济发展、社会福祉等多方面。这里我简单介绍一些大家身边源自天文学的事物:二十世纪七十年代为观测暗弱的深空天体信号,人们发明了背照式CCD(电荷耦合器件,Charge-coupled Device),大幅提升了CCD的效率,结果是让我们有了取代胶片的新的拍照技术。而且CCD对人工智能发展也有重要影响——人工智能三大重要的先决条件是算法、算力和数据,其中最重要的数据就是CCD提供的。还有大家现在常用的WiFi,也是在探索“霍金辐射”中研发的技术。此外在原子能、新能源等方面,天文学亦有贡献。简而言之,天文观测发展至今,极大地推动了其他自然科学以及高新技术,如光学、机械、电子、控制等科技发展。

关于宇宙观测的终极意义,我认为应是发现新规律,拓展人类的探索边界,特别是发现“未知的未知”(甚至并非如“暗能量”“暗物质”这类“已知的未知”)。同时,探索未来宇宙中蕴含的巨量的资源,回答能量来源、宇宙起源、生命起源、人们从何处来、到何处去的终极问题,揭秘引力与其他作用力的统一、系外智慧生命、虫洞、时间穿梭等,为未来的星际旅行积累必要的知识和技术。可以说,天文是永恒的科学前沿,为人类想象力插上无形的翅膀。

巡天之望

人类观测宇宙的方式多种多样,随着科技的进步,这些方式也在不断发展和演变:

(1)光学(主要包括红外线、可见光线、紫外线)望远镜观测:光学望远镜是历史最悠久、应用最广泛同时也是直至现在还在快速发展的一类望远镜,由此催生了先进光学、精密电控、高灵敏探测器等服务社会的技术发展。它们接收的光的波长主要从几十纳米到几十微米不等,已知最早的光学望远镜出现于1608年的荷兰,之后伽利略对望远镜的原型进行了改进,并将其应用于天文学。牛顿在1668年制造出第一架反射镜。卡塞格林在1672年使用一个小凸透镜作为第二反射镜,将光线反射穿过主镜中心洞孔,进一步改进了光学成像的质量。傅科在1857年引入了在玻璃镜面上镀银的程序,大大增加了反射效率。二十世纪以来,一系列口径越来越大的、以玻璃作为镜面的反射镜陆续被建造出来,欧美的十米级光学望远镜取得的成果在近些年获得了多项诺贝尔奖。我使用最多的也是光学望远镜,光学望远镜应用广泛,天体发射的信号在这一波段也最普遍。

(2)射电天文学观测:二十世纪三十年代兴起,人们利用无线电设备接收来自太空的无线电波。与光学望远镜相比,它们接收的光的波长非常长,可以从零点几厘米到数米不等。射电天文学使我们能够探测到在“可见光波段”内非常暗淡的天体,比如脉冲星、类星体、快速射电暴等,并且可以穿透尘埃云观察星系中心区域。比如我国的“天眼”就是全球最大的单体射电望远镜,已经有了很好的发现。

(3)X射线和伽马射线观测:高能天文学专注于X射线和伽马射线这样的高能量辐射。与光学望远镜相比,其探测光的波长很短,主要从百分之一纳米到几个纳米。它们通常由极端物理条件下的天体发出,例如黑洞附近、超新星爆发等。由于X射线、伽马射线几乎完全被地球大气层所阻挡,所以此类观测必须在太空中进行。

(4)引力波观测:2015年,人类首次直接探测到引力波,标志着一个全新的观测窗口开启。引力波是由强引力场事件(如双黑洞合并)产生的时空涟漪,LIGO(激光干涉引力波天文台)和Virgo(室女座干涉仪)等地面设施可以检测到这些微弱信号,提供了一种不同于电磁波的新视角。

近十年来,深空探测、天体物理方面的研究成果已五获诺贝尔奖。未来十年,宇宙探测发展将呈现进一步加速态势。在此背景下,光学望远镜主要有以下几个方向的发展趋势:

更大的口径:无论是已经服役的新一代太空望远镜詹姆斯·韦伯望远镜(JWST),还是当前正在建设的30米级欧洲极大望远镜(E-ELT)等,这些巨型望远镜将拥有前所未有的分辨率和灵敏度,能够捕捉到更微弱、更遥远的天体信号。然而,这些超大口径望远镜的视场都很小(几个平方角分的量级),这意味着每次曝光能够覆盖的视角比较小,像E-ELT、JWST等都只能覆盖特别小的天区,很难做很大的巡天。

更多种波段的协同观测:未来的天文台将致力于构建一个多波段观测网络,结合X射线、紫外线、可见光、红外线、引力波、中微子等多种数据,提供更加全面而精确的天体图像,进一步揭示本质。

更高的智能化与自动化:人工智能算法将越来越多地应用于望远镜的操作管理和数据分析中。智能调度系统可以根据天气状况、目标优先级等因素自动安排观测计划;人工智能可以帮助快速处理海量数据,识别出有价值的信息。

进入二十一世纪,世界各天文强国正在筹建下一代大型天文观测设备。地面光学望远镜的口径将从现在的8至10米级增大到30至40米;已服役20多年的哈勃空间望远镜(HST)已经被詹姆斯·韦伯望远镜(JWST)取代;由九个国家合作的大型射电望远镜——平方公里阵列(SKA)也在紧锣密鼓地研制;全球引力波探测计划即将进入到由五台探测器联合工作的GW2.0时代,以空间引力波天文台为主角的GW3.0时代也在酝酿之中。

我国也积极加入到天文观测设备的全球竞争中。自21世纪以来,我国望远镜发展取得了显著成就,尤其是在大型光学望远镜、射电望远镜以及空间天文观测领域。中国科学院国家天文台于2008年建成的大视场多目标光纤光谱天文望远镜,又名郭守敬望远镜(LAMOST),是当时世界上最大的大视场望远镜之一,具有4米的有效口径和5度的视场角。LAMOST主要用于大规模巡天,获取了大量恒星光谱数据,为研究银河系结构与演化提供了宝贵资源。FAST(500米口径球面射电望远镜)俗称“中国天眼”,是目前世界上最大单口径、最灵敏的射电望远镜,坐落于贵州平塘县喀斯特洼地之中。FAST于2016年9月正式启用,在脉冲星发现、星际分子探测等方面取得了一系列重要成果,并且支持了多项国际合作研究。2017年发射的硬X射线调制望远镜(HXMT)又名慧眼卫星,该望远镜是中国首颗专门用于硬X射线波段的空间天文望远镜,旨在探索黑洞、中子星等高能天体。该任务填补了中国在这一领域的空白,并与其他国际天文设施协同工作,共同揭示宇宙奥秘。

未来,中国科学院计划建造10米级口径的通用型地面大型光学红外望远镜。清华大学、北京大学、上海交通大学也都在计划建造4米级及以上的大口径光学装置用于不同科学目标的探索。

其中,多目标宽视场光谱巡天望远镜(MUltiplexed Survey Telescope),是由清华大学领导的一个国际领先的下一代天文装备。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大的单体镜面。除了超大的主镜面之外,这台望远镜的光学系统非常独特。我们之前说过,国际上极大望远镜往往只有很小的视野(视场),然而,MUST却拥有一个很大的视场。可想而知,由此带来的光学系统也非常具有挑战性。MUST拥有超大的副镜、改正镜等,有这些镜子的复杂的光学组合,可以解决“大口径”与“大视场”之间的矛盾。这些高精度镜面的制造和检测,必将极大提升我国的光学加工检测能力,比如副镜,是一个2.4米的非球面凸面,这些都是我国从来没有做过的高精度镜面。

先进而复杂的光学系统,使得MUST具备7平方度的视场,MUST的一次曝光就可以覆盖30个满月的所有视野,从中得到2万个天体的光谱。这样的配置,足以开启人类第五阶段(新一阶段)的光谱巡天。在新的阶段,二维成像巡天特别多,包括欧洲的Euclid,美国的LSST、WFIRST,以及我国的CSST等,都是以二维成像(拍照片)为主的巡天。未来,天空中有图像的星系数目超过300亿个,但真正有光谱的星系很可能不足3000万个,二者之间存在着三个数量级的巨大差距。光谱是十分重要的信息,有了光谱,我们就可以知道星系的化学组成,知道它们的距离,能够把两维巡天变成三维巡天,相当于为人类认识宇宙的探索进行“升维”。

因此,MUST从一开始就把星系光谱作为发展的重中之重,也是从这个意义上来说,MUST不仅仅填补了我国望远镜领域的空白,也填补了世界望远镜领域的空白。

从2019年立项以来,MUST已吸收多渠道资金达10亿元。相关建设已取得重要进展,各分系统均进入详细设计和投产阶段,为我国建设基础科学装置展开了新的探索。MUST成功进入清华大学2030创新行动计划A类优先支持的大科学工程项目。2024年11月,MUST的科学白皮书向世界发布,多个国际权威报告表示,这样一台光谱巡天望远镜,将是国际上在十亿元人民币左右的小投入下,还能够取得重大基础研究突破的绝佳选择。欧美也提出了类似的设想。由于我国于2019年就启动了这项工作,因此在这一重大历史机遇上已获先机,有望更早实现这一世界领先的巡天项目。期待在各界共同努力下,我们能够抓住这个几十年一遇的机遇,在探索宇宙中“未知的未知”的道路上,贡献来自中国的重要力量。而MUST也将把人类带到已知与未知世界的边缘,启发无限的好奇心与想象力,让人类携手探索浩瀚宇宙,共创美好未来。

(作者对讲座文稿有修订)