為了看清宇宙，希望建設(shè)更多“天眼”

——訪中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)常進(jìn)

本報(bào)記者 畢文婷 翟玉梅

13年前，“光譜之王”郭守鏡望遠(yuǎn)鏡(以下簡(jiǎn)稱LAMOST)橫空出世；6年前，暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”號(hào)劃破蒼穹；2021年，中國(guó)天眼500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(以下簡(jiǎn)稱FAST)面向全球開放；未來，冷湖天文觀測(cè)基地、空間站巡天望遠(yuǎn)鏡將給我們帶來更多的驚喜……

當(dāng)前，中國(guó)天文學(xué)迎來了歷史上最好的發(fā)展機(jī)遇。我國(guó)天文學(xué)如何抓住機(jī)遇實(shí)現(xiàn)領(lǐng)跑？“悟空”號(hào)、“慧眼”號(hào)等飛向太空的望遠(yuǎn)鏡將看到哪些精彩絕倫的景象？“留守”地球的LAMOST、FAST等又如何發(fā)揮光學(xué)、射電的優(yōu)勢(shì)？近日，在與科技日?qǐng)?bào)記者的對(duì)話中，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)常進(jìn)闡述了自己的思考。

人類進(jìn)入了空間天文時(shí)代

科技日?qǐng)?bào)記者：在大眾的眼中，天文學(xué)總與浪漫的星辰聯(lián)系在一起，具體到您的研究方向空間天文學(xué)，似乎又是另一個(gè)世界了。您能否先講講什么是空間天文學(xué)？它與傳統(tǒng)的地面天文學(xué)之間有哪些不同？

常進(jìn)：隨著技術(shù)的進(jìn)步，天文學(xué)研究已經(jīng)進(jìn)入了全波段時(shí)代。首先，我們要理解什么是全波段。根據(jù)波長(zhǎng)，可以把電磁輻射分為射電、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線。全波段時(shí)代就意味著，我們對(duì)于天體的研究不再局限于傳統(tǒng)的可見光波段，而是拓展到從射電到伽馬射線的全波段。

其次，電磁輻射是怎樣產(chǎn)生的？輻射產(chǎn)生的物理原因多種多樣，比如宇宙有磁場(chǎng)，當(dāng)帶電粒子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)發(fā)生同步擴(kuò)散，進(jìn)而產(chǎn)生電磁波。當(dāng)磁場(chǎng)增強(qiáng)、粒子能量增加時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生X射線、伽馬射線等。所以，通過在不同的波段觀測(cè)宇宙，可以看到天體的不同物理過程。

最后，為什么要進(jìn)入空間？這是因?yàn)榇蟛糠蛛姶挪o法穿越地球大氣，比如科學(xué)家想要觀測(cè)天體發(fā)出的紅外線，但大氣把紅外線吸收掉了，在地面觀測(cè)不到天體發(fā)射的紅外線，所以必須把望遠(yuǎn)鏡放到大氣頂部，也就是到空間去觀測(cè)，這就是空間天文學(xué)。

此外，由于大氣湍流運(yùn)動(dòng)會(huì)影響光的傳播，為了降低大氣的影響，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡也會(huì)被送到天上去。比如我們熟知的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，它雖然在地面上也能實(shí)現(xiàn)觀測(cè)，但進(jìn)入空間之后，其2.4米的口徑可以達(dá)到地面10米口徑望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)水平，獲得了更高的角分辨能力。這樣，人類就進(jìn)入了空間天文時(shí)代，也就是全波段時(shí)代，所有電磁波段都可以被監(jiān)測(cè)到。

科技日?qǐng)?bào)記者：“悟空”號(hào)是我國(guó)將望遠(yuǎn)鏡送到空間去的一項(xiàng)全新探索，它實(shí)現(xiàn)了國(guó)際首次利用空間實(shí)驗(yàn)對(duì)100 TeV的宇宙線質(zhì)子能譜的精確測(cè)量。今年9月，“悟空”號(hào)又發(fā)布了首批伽馬光子科學(xué)數(shù)據(jù)，伽馬光子與暗物質(zhì)有著怎樣的聯(lián)系？對(duì)伽馬光子的數(shù)據(jù)開展研究，將為“看”到暗物質(zhì)作出什么貢獻(xiàn)？

常進(jìn)：發(fā)射“悟空”號(hào)，主要目的是高分辨觀測(cè)宇宙高能粒子和高能伽馬射線。伽馬射線是頻率特別高的電磁波，因?yàn)榇髿鈺?huì)對(duì)其產(chǎn)生吸收，只能到空間去觀察。

雖然時(shí)至今日，我們還不清楚暗物質(zhì)的物理特性，但根據(jù)理論模型推測(cè)，暗物質(zhì)可能會(huì)衰變或者湮滅產(chǎn)生高能伽馬射線。所以，我們通過研究伽馬射線去間接探測(cè)暗物質(zhì)粒子。另外，由于伽馬射線是不帶電粒子，不會(huì)被宇宙磁場(chǎng)影響，它的傳輸路徑不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。因此，我們通過研究伽馬射線的空間分布，或許可以進(jìn)一步定位暗物質(zhì)的起源。

但是，高能伽馬射線的流量特別低，“悟空”號(hào)每天只測(cè)到1—2個(gè)。想要獲得伽馬射線的能譜和空間分布情況需要大量數(shù)據(jù)，所以，“悟空”號(hào)經(jīng)過了3年的積累才向世界發(fā)布。即使這些數(shù)據(jù)還不夠多，我們希望通過向全世界公開共享衛(wèi)星數(shù)據(jù)，讓全球科學(xué)家共同挖掘其科學(xué)價(jià)值。

期待未來光學(xué)巡天發(fā)展

科技日?qǐng)?bào)記者：有專家提出，未來十年是光學(xué)巡天的黃金時(shí)代，國(guó)際上也早就建設(shè)了10余臺(tái)8—10米口徑的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，從您的分析來看，我國(guó)光學(xué)巡天還需要從哪些方面著力？

常進(jìn)：我國(guó)的光學(xué)巡天還在起步階段。一般來講，望遠(yuǎn)鏡分為專用和通用，早期由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力不強(qiáng)，即使是2米級(jí)的通用望遠(yuǎn)鏡也僅有兩臺(tái)，一臺(tái)是位于河北興隆觀測(cè)基地的2.16米望遠(yuǎn)鏡，一臺(tái)是位于中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)的2.4米望遠(yuǎn)鏡。而擁有4米口徑的LAMOST是一臺(tái)專用望遠(yuǎn)鏡，它只能做光譜巡天，觀測(cè)銀河系中的恒星，還沒有進(jìn)入到更深宇宙。

科技日?qǐng)?bào)記者：近期關(guān)注度頗高的冷湖天文觀測(cè)站，是否體現(xiàn)了光學(xué)巡天領(lǐng)域我國(guó)“自己的計(jì)劃”？

常進(jìn)：冷湖是中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)在我國(guó)中西部尋找到的最適合光學(xué)巡天的地點(diǎn)。光學(xué)天文要求大氣透明度高、夜光背景小，這樣的地點(diǎn)不是很容易找到。一方面，人類活動(dòng)越來越密集，晚上的背景光很強(qiáng)，很難看到很暗的星空。另一方面，光學(xué)巡天不僅要求大氣透明度高，還要求大氣穩(wěn)定，大氣湍流會(huì)使光線發(fā)生偏移，導(dǎo)致我們觀測(cè)到的星星是閃爍的。但是我們需要寧?kù)o的星星，這樣在望遠(yuǎn)鏡的照相底片上就會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)點(diǎn)，對(duì)研究最有利。天文學(xué)家用視寧度來描述大氣背景，冷湖是0.75角秒，與國(guó)際最佳臺(tái)址同期數(shù)據(jù)大致相同。

冷湖的規(guī)劃中，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)計(jì)劃在2—3年內(nèi)共建，落成2.5米大視場(chǎng)巡天望遠(yuǎn)鏡。未來，還有可能在冷湖建設(shè)12米大型光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡以及清華大學(xué)的6.5米寬視場(chǎng)光譜巡天望遠(yuǎn)鏡。

但是冷湖并不是無限大的，需要天文學(xué)家提前做好規(guī)劃，不能盲目發(fā)展，不能使它無序化。

科技日?qǐng)?bào)記者：LAMOST位于河北興隆，距離北京非常近，它的氣象條件能滿足光學(xué)巡天的要求嗎？未來是否有搬遷到冷湖的計(jì)劃？如果搬遷，其后LAMOST在設(shè)計(jì)上會(huì)發(fā)生變化嗎？

常進(jìn)：北京發(fā)展太快導(dǎo)致興隆的背景光比20年前增加了幾十倍，有時(shí)甚至上百倍，所以LAMOST也只能搬到更遠(yuǎn)的地方去，目前正在計(jì)劃將它搬到冷湖。搬遷后它的設(shè)計(jì)是否發(fā)生變化現(xiàn)在還在討論中，最簡(jiǎn)單的方法是保持原狀，只是搬過去。但由于LAMOST已經(jīng)工作10多年了，我們還是獲得了一些經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，我們希望可以進(jìn)一步改進(jìn)它，包括光學(xué)設(shè)計(jì)、口徑等。

望遠(yuǎn)鏡建設(shè)前景可期

科技日?qǐng)?bào)記者：為打造我國(guó)天文自主生態(tài)，您認(rèn)為，在國(guó)家整體規(guī)劃和頂層設(shè)計(jì)上應(yīng)該做怎樣的考慮？

常進(jìn)：我國(guó)這幾年天文學(xué)發(fā)展很快，但總體上與國(guó)際水平還有較大差距?，F(xiàn)在是射電天文一枝獨(dú)秀，光學(xué)天文與國(guó)際水平相差比較大。

在射電天文領(lǐng)域，我國(guó)掌握了大型望遠(yuǎn)鏡的建造技術(shù)，國(guó)家的工業(yè)實(shí)力也能夠?qū)崿F(xiàn)這些技術(shù)，所以在建設(shè)射電望遠(yuǎn)鏡方面困難小一點(diǎn)。就FAST來說，現(xiàn)在它在射電低頻波段的觀測(cè)能力已經(jīng)達(dá)到了世界第一，這得益于幾代科學(xué)家的努力，其實(shí)它還有很大的提升空間，我們希望在更高的頻段探索建設(shè)FAST陣。

現(xiàn)在的“天眼”望遠(yuǎn)鏡相當(dāng)于“獨(dú)眼龍”，可以看到很微弱的東西，但是這個(gè)微弱的東西究竟長(zhǎng)什么樣，一只眼睛看得還不是很清楚，所以我們希望有更多的“天眼”去看。在FAST陣建成后，其靈敏度不僅能超過平方公里陣射電望遠(yuǎn)鏡的第一階段(SKA1)，未來還有可能超過第二階段(SKA2)。

所以，我們掌握了FAST的關(guān)鍵技術(shù)，知道了如何做大望遠(yuǎn)鏡，再加上貴州省得天獨(dú)厚的地形地貌，可以很快地用比較便宜的價(jià)格使其達(dá)到高靈敏度和高角分辨水平，希望在未來，F(xiàn)AST陣可以在射電天文領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)世界領(lǐng)先。

科技日?qǐng)?bào)記者：在光學(xué)領(lǐng)域有怎樣的規(guī)劃？

常進(jìn)：在光學(xué)領(lǐng)域，全國(guó)的天文學(xué)家正在討論望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)計(jì)劃，近期希望建設(shè)12米大型光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡。另外，我國(guó)還即將發(fā)射空間站巡天望遠(yuǎn)鏡，我們稱之為中國(guó)的“哈勃”，它的視場(chǎng)可以達(dá)到哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的300倍。

光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，尤其是空間站巡天望遠(yuǎn)鏡的建造，耗資更龐大，要求科學(xué)家必須要認(rèn)真、踏實(shí)地走好每一步，才能使望遠(yuǎn)鏡達(dá)到預(yù)設(shè)指標(biāo)，發(fā)揮更好的效用。但是要達(dá)到革命性突破，更關(guān)鍵的是要掌握先進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)，所以還要先在實(shí)驗(yàn)室中取得突破。

當(dāng)然，天文研究的國(guó)際合作也十分重要。今后我國(guó)要加入SKA天文臺(tái)等國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃，并發(fā)展FAST陣等以我國(guó)為主的國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃，這也將成為我國(guó)天文學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要途徑。

當(dāng)前的背景下，望遠(yuǎn)鏡將會(huì)越建越多，相信中國(guó)天文未來的發(fā)展也一定會(huì)更加美好。

關(guān)鍵詞： 悟空 空間天文學(xué) SKA 紅外線吸收 宇宙磁場(chǎng)