“北半球最強”，4200米高山上的墨子巡天望遠(yuǎn)鏡開啟觀測

從安徽飛往蘭州或者西安，轉(zhuǎn)機落地敦煌后，再開車四個小時來到青海冷湖鎮(zhèn)。車窗外，茫茫的沙漠戈壁飛快向后掠過，落日余暉為遠(yuǎn)方的群山之巔鑲上金邊。

從2019年起，在這條從清晨到黃昏的行程上，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、墨子巡天望遠(yuǎn)鏡 (Wide Field Survey Telescope，WFST)總設(shè)計師孔旭數(shù)不清奔波了多少回。人跡罕至的荒漠信號斷斷續(xù)續(xù)，他也因此經(jīng)常處于失聯(lián)狀態(tài)。

經(jīng)過4年的建設(shè)，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡迎來高光時刻，9月17日，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡首光儀式在冷湖臺址舉行，望遠(yuǎn)鏡將正式開啟科學(xué)觀測。作為北半球光學(xué)波段時域巡天能力最強的望遠(yuǎn)鏡，它每3個晚上能夠巡測整個北天球一次，可與預(yù)期在2025年投入使用的位于南半球的薇拉魯賓天文臺大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡（VRO/LSST）在天區(qū)覆蓋上互補，實現(xiàn)全天時域監(jiān)測，推動時域天文學(xué)的發(fā)展。

“鑒于墨子巡天望遠(yuǎn)鏡的性能，我們希望它能盡早帶來突破性的原始創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)。”孔旭滿懷期待。

9月17日，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡正式啟用。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖

冷湖臺址

墨子巡天望遠(yuǎn)鏡所在的冷湖鎮(zhèn)，近些年因天文觀測聲名鵲起。它位于青海省海西州，曾是我國重要的石油產(chǎn)地。隨著上世紀(jì)80年代石油資源枯竭，冷湖逐漸萎縮成只有400個常住居民的小鎮(zhèn)，鎮(zhèn)上的出租車只有6輛。也正是由于海拔高、人煙稀少，這里幾乎沒有光污染，繁星璀璨的夜空格外通透。

“夜幕漆黑，絢麗的銀河拱橋肉眼可見。”談及“星垂平野闊”的壯美景象，天文愛好者小方難掩激動，“仿佛走到地平線盡頭，就可以順著天梯遨游星空。”

相比天文愛好者的感性，天文學(xué)家用更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)評判了冷湖的觀測條件。

光學(xué)觀測臺址是極其寶貴的稀缺資源，目前國際公認(rèn)的最佳臺址只有智利北部山區(qū)、美國夏威夷莫納克亞峰、南極內(nèi)陸冰穹地區(qū)。2017年開始，國內(nèi)相關(guān)研究團隊在海西州西部無人區(qū)開始臺址搜尋工作，冷湖賽什騰山區(qū)走入天文學(xué)家的視野。經(jīng)過數(shù)據(jù)監(jiān)測，他們發(fā)現(xiàn)，冷湖賽什騰山C區(qū)（4200米標(biāo)高點）的視寧度中值為0.75角秒，可與夏威夷莫納克亞天文臺址的條件相媲美。

墨子巡天望遠(yuǎn)鏡安置于青海省海西州茫崖市冷湖鎮(zhèn)海拔4200米的賽什騰山天文臺址。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖

0.75角秒是什么概念？星光穿過大氣到達(dá)人眼和設(shè)備，而大氣壓縮或者膨脹造成空氣混亂流動，光線經(jīng)過這些地方會發(fā)生彎折和抖動，大家經(jīng)常看到星星“眨眼睛”，眨得越厲害，表示視寧度越差。

一個圓切成360份，每份是一度，把一度再切成3600份，其中一份是一個角秒。0.75角秒是眼睛分辨不了的非常小的角度。“視寧度越小，觀測到的天體越穩(wěn)定。大家在城市里看到的星星‘眨眼’覺得很美，而從這里看，星星是基本不閃爍的，這樣的條件對于天文觀測十分有利。”

當(dāng)?shù)厣儆辏杲邓恐挥?0毫米，每年有大約270個條件較好的觀測夜。夜間，臺址的氣溫波動（峰谷差）中位值僅為2.4攝氏度，這表明大氣非常穩(wěn)定，適合天文觀測。“賽什騰山是戈壁上突然冒起來的一座山，前后沒有遮擋，是很理想的天文臺選址。”孔旭說。

冷湖國際一流臺址的發(fā)現(xiàn)，為我國光學(xué)天文發(fā)展創(chuàng)造了重大機遇。在賽什騰山上，多個正在建設(shè)中的望遠(yuǎn)鏡像珍珠一樣散落在山間，它們白色的圓頂在連綿的石山上頗為搶眼，為壯麗的自然環(huán)境營造了科幻片般的神秘感。

30個望遠(yuǎn)鏡的落地和建成，將使冷湖成為中國甚至亞洲最大的天文臺。

“墨子”安家

從平均海拔2700米的冷湖鎮(zhèn)出發(fā)到達(dá)賽什騰山，有一個半小時的車程。在山腳下，汽車沿著蜿蜒的盤山路向山頂駛進(jìn)，深褐色的群山溝壑縱橫，山上遍布嶙峋碎石，“小心落石”的提示牌讓司機不由得多了一份謹(jǐn)慎和專注。

墨子巡天望遠(yuǎn)鏡于2019年7月開始建設(shè)，彼時，專門為天文臺址新建的盤山路還沒有完工，孔旭到山頂勘查望遠(yuǎn)鏡臺址，需要先開著四驅(qū)車順著山間炸出來的窄路到達(dá)山腰，坑坑洼洼的路面經(jīng)常將車子顛到路面外。直至前方已經(jīng)無路可行，他就背著方便面、水、黃瓜，攀爬3個小時到達(dá)頂峰。

高海拔地區(qū)稀薄的空氣增加了登山的難度，陡峭山崖上還不時有落石滾下。有一次，團隊中的一員攀登時將山石踩踏松動，山石掉落擊中孔旭的膝蓋，他簡單處理了傷口，將血跡擦掉，堅持爬到了山頂。山上的紫外線強烈，孔旭曾被曬得脫皮，眼睛刺痛流淚。

在賽什騰山上安置30個望遠(yuǎn)鏡，需要冷湖天文觀測基地學(xué)術(shù)委員會進(jìn)行討論和統(tǒng)一規(guī)劃。墨子巡天望遠(yuǎn)鏡的位置可謂“黃金地帶”，它位于一處4200米的較為平整的大山頭。“這是當(dāng)時可以到達(dá)的最高山峰，星光到達(dá)望遠(yuǎn)鏡要穿過地球大氣，望遠(yuǎn)鏡越高，觀測受到大氣的影響就越小。”孔旭說，此地處于上風(fēng)口，望遠(yuǎn)鏡前面沒有任何設(shè)施阻擋，周邊空氣平穩(wěn)地從望遠(yuǎn)鏡上方流過，不會對視寧度造成干擾。

今年7月底，望遠(yuǎn)鏡本體和相機運抵臺址，安裝調(diào)試后于8月15日迎來首次工程觀測測試。9月10日，新京報記者前往墨子巡天望遠(yuǎn)鏡探訪。站在海拔4200米的山頂，遠(yuǎn)處圣潔的雪山和遼闊的柴達(dá)木盆地讓人內(nèi)心平靜，但缺氧的環(huán)境、8攝氏度的低溫和尚未完備的工作條件仍是科研人員需要面對的挑戰(zhàn)。由于山上暫未通水，他們在山下將飯菜打包上山后加熱食用。

在望遠(yuǎn)鏡的觀測控制室，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授姜繼安身穿厚實的抓絨沖鋒衣，在電腦前通宵觀測，白天再下山睡覺休息。他此前在日本國立天文臺工作，從事時域巡天研究。為了墨子巡天望遠(yuǎn)鏡，他于今年4月回國工作，“這個望遠(yuǎn)鏡和我的研究契合度是100%的，它有無限潛力。”第一次來到賽什騰山時，他對這里很滿意。“我不在乎工作條件是否艱苦，這里的觀測條件很理想，沒有光污染。環(huán)境越暗，越容易探測到更加遙遠(yuǎn)的天體或者暗弱的天體。”

與射電望遠(yuǎn)鏡中國天眼（FAST）不同，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，工作在可見光波段。墨子巡天望遠(yuǎn)鏡的名字是為了紀(jì)念中國古代科學(xué)家墨子，他在兩千多年前首次發(fā)現(xiàn)了光線是沿直線傳播的原理，并進(jìn)行了小孔成像實驗，被譽為“世界光學(xué)第一人”。

但墨子巡天望遠(yuǎn)鏡與同屬于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）也不一樣。郭守敬望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行光譜觀測，通過光譜，天文學(xué)家可以確定恒星的溫度、壓力和化學(xué)組成等。而墨子巡天望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行圖像觀測，強調(diào)“時域巡天”。孔旭舉例說，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡對著一塊天空拍照，過幾個小時再拍一次，兩相對比，就得知哪個天體發(fā)生了變化。郭守敬望遠(yuǎn)鏡素有“一眼千星”的美譽，而觀測同樣的天區(qū)時，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡可以給幾億個天體拍照。

姜繼安說，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡可以對有趣的天體進(jìn)行快速“初篩”，后續(xù)再和其他望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行合作觀測，發(fā)現(xiàn)更多天體的秘密。

北半球最強

夜幕降臨，高度10米、重達(dá)50噸的望遠(yuǎn)鏡圓頂緩慢開啟，望向宇宙深處。

作為一臺口徑為2.5米的大視場光學(xué)成像望遠(yuǎn)鏡，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡的搜索效率高、探測范圍廣，能夠每3個晚上巡測整個北天球2萬平方度一次，是北半球光學(xué)波段時域巡天能力最強的望遠(yuǎn)鏡，可以發(fā)現(xiàn)暗弱至23等的天體。

在孔旭的帶領(lǐng)下，記者參觀了望遠(yuǎn)鏡的內(nèi)部。據(jù)他介紹，望遠(yuǎn)鏡用30秒拍攝的一幅圖像為1.76GB，相當(dāng)于一部高清電影，一晚上可以獲得1.6T的數(shù)據(jù)。望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部有一臺數(shù)據(jù)存儲柜，如果網(wǎng)絡(luò)中斷，可以存儲一個月的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通過光纖傳送至中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，那里的數(shù)據(jù)中心可以存儲20年的數(shù)據(jù)。內(nèi)部還有一個嗡嗡作響的設(shè)備間，集中了防斷電設(shè)備等發(fā)熱的設(shè)備，將噪音和熱源隔絕于內(nèi)，否則熱量會在空氣中產(chǎn)生對流，影響大氣視寧度。

在總設(shè)計師孔旭的帶領(lǐng)下，記者參觀了墨子巡天望遠(yuǎn)鏡的內(nèi)部。新京報記者 張璐 攝

在地下室可以清晰看到，重達(dá)50噸的望遠(yuǎn)鏡支在一個圓墩上，和外圍地面留有一圈縫隙，沒有物理接觸。“這是因為我們走路時有震蕩，會影響望遠(yuǎn)鏡的觀測。地面和下面的基巖中間有70公分的緩沖沙，盡量克服人走路的震動對天文觀測的影響。”

作為“北半球最強”，望遠(yuǎn)鏡的研發(fā)過程極具挑戰(zhàn)。孔旭說，望遠(yuǎn)鏡采用了國際先進(jìn)的主焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，覆蓋視場直徑3度，配備了7.65億像素大面陣拼接CCD相機。

CCD是感光元件，可以將光子轉(zhuǎn)換成電子讀出，呈現(xiàn)數(shù)碼圖像。“9片CCD芯片拼接后要在零下100攝氏度的環(huán)境中工作，盡管芯片厚度不一，但拼接的平整度必須控制在20微米以內(nèi)，否則望遠(yuǎn)鏡就會出現(xiàn)‘近視’或者‘遠(yuǎn)視’的情況。”為了攻克這一難關(guān)，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院的王堅團隊運用熱力學(xué)仿真并多次改進(jìn)工藝，達(dá)到了這一苛刻要求。

另外，2.5米大口徑望遠(yuǎn)鏡的主鏡很薄，只有12公分，薄鏡面豎直時受力比較均勻，但傾斜觀測不同方向天體時，受力不均會導(dǎo)致鏡面變形。為了突破這一瓶頸，中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所科研人員采用了主動光學(xué)支撐系統(tǒng)，對主鏡重力形變和熱形變等進(jìn)行實時矯正，使望遠(yuǎn)鏡更好成像。

望遠(yuǎn)鏡推進(jìn)與建設(shè)，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)負(fù)責(zé)牽頭組織實施，中國科學(xué)院紫金山天文臺予以全方位協(xié)助。建成后，由中國科學(xué)院紫金山天文臺主要負(fù)責(zé)該設(shè)施的運行，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)予以全方位協(xié)助。在調(diào)試和初步觀測階段，觀測控制室每晚至少有4人值班觀測，目前中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)已經(jīng)建好了遠(yuǎn)程觀測室，即將投入使用。

助力黑洞、近地天體等研究

墨子巡天望遠(yuǎn)鏡首次調(diào)試觀測，就獲得了球狀星團和旋渦星系的觀測圖像，姜繼安在電腦中展示了一張望遠(yuǎn)鏡拍攝的仙女座大星系M31的圖像，這是距離銀河系最近的大星系。“望遠(yuǎn)鏡最大優(yōu)勢就是有很大的視場，能拍攝到很深的圖像。我們希望能找一些大的天體圖像作為首光圖像，可以展現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡的性能。”

未來，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡將有哪些科學(xué)發(fā)現(xiàn)？

近年來，近地小行星飛掠地球的新聞時常引發(fā)公眾關(guān)注。墨子巡天望遠(yuǎn)鏡巡天數(shù)據(jù)可用于開展近地天體監(jiān)測，助力預(yù)警和防御。近地天體指運行軌道靠近地球軌道的太陽系天體，包括小行星和彗星等。“構(gòu)建盡可能完整的近地天體星表，還能監(jiān)控它們對地球生命安全的潛在威脅。”孔旭說，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡開展全天圖像巡天，可以探測、監(jiān)視、編目和證認(rèn)90%的潛在有威脅的尺寸大于140米的近地天體。

近地天體可能會攜帶太陽系中的原始物質(zhì)，為研究太陽系起源提供關(guān)鍵線索。預(yù)期墨子巡天望遠(yuǎn)鏡每晚的巡測可以觀測到數(shù)千顆近地小行星。這些觀測有望揭示近地天體軌道特征與動力學(xué)起源和物理特性，地球上水和生命的起源是否來自外太空。

前沿時域天文現(xiàn)象也是望遠(yuǎn)鏡巡天觀測的主要研究對象，包括引力波事件電磁對應(yīng)體、黑洞潮汐瓦解恒星事件、伽馬射線暴、快速射電暴、超新星激波暴等。

孔旭舉例說，黑洞潮汐瓦解恒星事件是指一顆恒星被星系中心黑洞捕獲，其物質(zhì)被強潮汐力瓦解并形成一個或多個吸積爆發(fā)過程的事件。潮汐瓦解事件可以幫助天文學(xué)家更好地了解恒星的內(nèi)部物質(zhì)結(jié)構(gòu)、強引力場條件下物質(zhì)運動規(guī)律，同時研究黑洞的增長和演化。

探索的腳步永遠(yuǎn)向前，“我們在謀劃下一代更大口徑的望遠(yuǎn)鏡，希望當(dāng)?shù)亓粢粋€位置，能夠放置66.5米以上口徑的望遠(yuǎn)鏡。”孔旭說。

新京報記者 張璐

編輯 劉茜賢 校對 趙琳