應(yīng)琛

激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡。

作為我國(guó)歷史最悠久的天文臺(tái)，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)成立于1962年，其前身是1872年建立的徐家匯天文臺(tái)與1900年建立的佘山天文臺(tái)。叩問(wèn)2020年的宇宙蒼穹，陣陣回響喚起驚奇與敬畏無(wú)數(shù)。其中不少成果與上海天文臺(tái)有關(guān)——

其牽頭的中國(guó)甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI）網(wǎng)與現(xiàn)有航天測(cè)控網(wǎng)，承擔(dān)了“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器與“嫦娥五號(hào)”探測(cè)器各飛行段的測(cè)定軌及定位任務(wù)，為國(guó)家重大任務(wù)做出了重要貢獻(xiàn);積極承擔(dān)北斗三號(hào)信息處理系統(tǒng)、激光測(cè)距分系統(tǒng)和時(shí)間頻率系統(tǒng)等研制工作，交付的16臺(tái)組網(wǎng)衛(wèi)星星載氫鐘運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定良好，為北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)運(yùn)行提供了保障……

在探索宇宙和推進(jìn)重大國(guó)際合作方面，依托上海天文臺(tái)建設(shè)的中國(guó)空間站工程巡天望遠(yuǎn)鏡長(zhǎng)三角地區(qū)科學(xué)中心已正式啟動(dòng);順利完成科技部SKA科學(xué)專項(xiàng)“宇宙黎明和再電離探測(cè)”方向的立項(xiàng)，完成了中國(guó)SKA區(qū)域中心原型機(jī)升級(jí)改造;與美國(guó)NASA續(xù)簽空間大地測(cè)量合作協(xié)議。

“天文學(xué)作為最古老的學(xué)科，是一個(gè)需要長(zhǎng)期積累的學(xué)科。從某種意義上來(lái)說(shuō)，它沒(méi)有終極答案，很多問(wèn)題的答案都值得天文工作者窮盡一生去追求和探索。”中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)沈志強(qiáng)在接受《新民周刊》采訪時(shí)表示，宇宙還人類以新知，并以更多未知引領(lǐng)人類遙望未來(lái)，即將邁入第一個(gè)甲子之年的上海天文臺(tái)也將繼續(xù)在浩瀚星海中乘風(fēng)破浪。

從“探月”到“奔火”

上海天文臺(tái)前臺(tái)長(zhǎng)洪曉瑜研究員，從“嫦娥一號(hào)”開(kāi)始就與月球結(jié)下了不解之緣。

月球遠(yuǎn)在38萬(wàn)公里之外，當(dāng)探測(cè)器發(fā)射后進(jìn)入深空，飛到哪里，飛行路線是否合乎預(yù)定軌道，中途是否需做調(diào)整，這些關(guān)鍵信息都非常重要。在整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)中，上海天文臺(tái)牽頭的中國(guó)VLBI網(wǎng)與現(xiàn)有航天測(cè)控網(wǎng)一起進(jìn)行精密測(cè)定軌道，為探測(cè)器保駕護(hù)航。

洪曉瑜告訴記者，測(cè)量衛(wèi)星軌道有兩大要素：一是距離，二是方向。他們主要承擔(dān)后者的測(cè)量工作，提供衛(wèi)星在飛行過(guò)程中精密的方位角信息，協(xié)助測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行軌道測(cè)量和確定。

所謂VLBI，是一項(xiàng)高精度測(cè)角技術(shù)，在月球與深空探測(cè)器快速、高精度定軌和定位方面，有著不可或缺的重要作用。我國(guó)的VLBI測(cè)軌分系統(tǒng)由北京站、上海站、昆明站和烏魯木齊站以及位于上海天文臺(tái)的VLBI數(shù)據(jù)處理中心組成。這樣一個(gè)網(wǎng)所構(gòu)成的望遠(yuǎn)鏡分辨率相當(dāng)于口徑為3000多千米的巨大的綜合口徑射電望遠(yuǎn)鏡，測(cè)角精度可以達(dá)到百分之幾角秒。

回顧VLBI技術(shù)在探月工程的應(yīng)用，十七年的艱辛過(guò)程歷歷在目。洪曉瑜坦言，VLBI測(cè)軌分系統(tǒng)開(kāi)始承擔(dān)探月工程任務(wù)時(shí)，遇到很多困難：一是要克服天文觀測(cè)設(shè)備老舊和不穩(wěn)定的特點(diǎn)，要嚴(yán)格按照航天工程的要求，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性;二要發(fā)展適應(yīng)我國(guó)探月工程的VLBI測(cè)軌新技術(shù)和新方法，滿足測(cè)量精度指標(biāo)要求;三是要解決數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和計(jì)算的要求。

以“嫦娥二號(hào)”發(fā)射升空期間為例，洪曉瑜和VLBI中心內(nèi)的科研人員一起堅(jiān)守在操作臺(tái)。40多名科研人員分兩班倒，差不多每天凌晨3點(diǎn)半就進(jìn)場(chǎng)準(zhǔn)備并展開(kāi)衛(wèi)星觀測(cè)，然后將觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提供衛(wèi)星軌道的數(shù)據(jù)。每天傍晚，中心的指揮負(fù)責(zé)人員還要開(kāi)會(huì)總結(jié)當(dāng)天工作，布置第二天的任務(wù)。而且，一旦北京中心作出調(diào)整安排，上海方面必須隨時(shí)跟進(jìn)……

而在嫦娥五號(hào)的任務(wù)中，VLBI團(tuán)隊(duì)在動(dòng)態(tài)雙目標(biāo)同波束VLBI技術(shù)方面獲得重大突破，成功支持了月面降落、我國(guó)首次月面起飛、世界首次月球軌道無(wú)人交會(huì)對(duì)接、樣品月地返回等復(fù)雜、關(guān)鍵、高難度測(cè)控任務(wù)，并發(fā)揮了不可替代的作用。

“目前我們還在支持我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)‘天問(wèn)一號(hào)測(cè)軌工作?！焙闀澡け硎尽?月10日晚，“天問(wèn)一號(hào)”成功實(shí)施“制動(dòng)捕獲”，隨后順利進(jìn)入大橢圓環(huán)火軌道。在這個(gè)過(guò)程中，VLBI測(cè)軌分系統(tǒng)始終全力護(hù)航。

VLBI 測(cè)軌分系統(tǒng)的示意圖。

“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)VLBI分系統(tǒng)天馬站參試人員。

相對(duì)探月工程來(lái)說(shuō)，“天問(wèn)一號(hào)”飛得特別遠(yuǎn)，任務(wù)執(zhí)行起來(lái)有不同的感覺(jué)，“比如，嫦娥探測(cè)器變軌的時(shí)候，信號(hào)我們一直能看到，但（天問(wèn)一號(hào)）火星探測(cè)器變軌后，一段時(shí)間內(nèi)我們是看不到信號(hào)的，因?yàn)樘h(yuǎn)了，且有時(shí)候（探測(cè)器）飛到火星背面，隱約會(huì)有種滯后的感覺(jué)”。

為了滿足“天問(wèn)一號(hào)”的測(cè)定軌要求，VLBI測(cè)軌分系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)完成了40多臺(tái)套軟件和硬件的研發(fā)、測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)安裝;成立了90多人的試驗(yàn)隊(duì)，持續(xù)開(kāi)展了火星探測(cè)VLBI高精度測(cè)定軌技術(shù)研究和測(cè)試驗(yàn)證。到目前為止，VLBI測(cè)軌分系統(tǒng)任務(wù)執(zhí)行情況順利，VLBI的測(cè)量精度及執(zhí)行任務(wù)的能力大幅提高。

洪曉瑜透露，2月是“天問(wèn)一號(hào)”集中測(cè)控的重要弧段，有中途修正，軌道機(jī)動(dòng)和三次火星捕獲。在這次集中測(cè)軌期間，VLBI測(cè)軌分系統(tǒng)需要每天觀測(cè)，上海天文臺(tái)90多名試驗(yàn)隊(duì)員全都放棄了春節(jié)休假，堅(jiān)守崗位。

從“探月”到“奔火”，可以說(shuō)，射電天文這一基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的長(zhǎng)期積累在國(guó)家重大工程中的突出貢獻(xiàn)已經(jīng)得到了高度認(rèn)可。洪曉瑜也期待著在探月四期，以及深空探測(cè)的后續(xù)任務(wù)中，能進(jìn)一步提升射電天文觀測(cè)技術(shù)，為探索宇宙空間做出新貢獻(xiàn)。

記者從上海天文臺(tái)了解到，為滿足探月四期和深空探測(cè)的VLBI測(cè)軌任務(wù)需求，探月四期規(guī)劃在西藏日喀則和吉林長(zhǎng)白山各建一臺(tái)40米口徑射電望遠(yuǎn)鏡的VLBI測(cè)站，與現(xiàn)有的四臺(tái)站（分別布局在上海、北京、昆明和烏魯木齊）組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)空間目標(biāo)的同時(shí)高精度跟蹤測(cè)量，更好地完成后續(xù)工程項(xiàng)目的VLBI測(cè)定軌任務(wù)。

沈志強(qiáng)表示，作為VLBI測(cè)軌分系統(tǒng)的牽頭單位，上海天文臺(tái)將負(fù)責(zé)兩個(gè)新臺(tái)站的建設(shè)，并將結(jié)合天文觀測(cè)需求，綜合規(guī)劃，發(fā)展我國(guó)VLBI網(wǎng)，按時(shí)完成工程建設(shè)任務(wù)，使我國(guó)的VLBI測(cè)定軌和天文高分辨率觀測(cè)都更上一層樓，不斷探索宇宙奧秘。

服務(wù)國(guó)家重大戰(zhàn)略

如今，VLBI在探月工程和火星探測(cè)中已經(jīng)大顯身手。但回想起在探月工程規(guī)劃以前，沈志強(qiáng)坦言，VLBI是深藏閨中不為外界所知，“上世紀(jì)70年代初，當(dāng)中國(guó)科學(xué)院院士、著名天文學(xué)家、老臺(tái)長(zhǎng)葉叔華提出要建設(shè)中國(guó)VLBI網(wǎng)時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)其實(shí)并不被看好”。

原來(lái)即便是涉足這一領(lǐng)域最早的美國(guó)和加拿大，其理論和技術(shù)當(dāng)時(shí)也都處于起步摸索階段;再者，建成VLBI網(wǎng)絡(luò)至少需要在國(guó)內(nèi)選址建造兩臺(tái)直徑至少25米的射電望遠(yuǎn)鏡，這需要巨大的經(jīng)費(fèi)支撐，對(duì)于那時(shí)的中國(guó)，也可謂難上加難。

沈志強(qiáng)說(shuō)，正是葉先生不懈的努力和戰(zhàn)略的眼光，讓上海天文臺(tái)和中國(guó)天文界，迅速趕上了上世紀(jì)八九十年代國(guó)際天文從經(jīng)典觀測(cè)轉(zhuǎn)向現(xiàn)代觀測(cè)的潮流。

而亞洲第一的射電望遠(yuǎn)鏡——天馬望遠(yuǎn)鏡（上海65米射電望遠(yuǎn)鏡）的建成，也是上海天文臺(tái)抓住了機(jī)會(huì)。

作為該項(xiàng)目首席科學(xué)家，沈志強(qiáng)告訴記者，65米口徑射電望遠(yuǎn)鏡的建成，標(biāo)志著我國(guó)深空探測(cè)定軌能力進(jìn)入了一個(gè)更高層次，顯著提升了我國(guó)天文觀測(cè)研究的整體實(shí)力和國(guó)際地位。

2012年建成后，天馬望遠(yuǎn)鏡圓滿完成了嫦娥三號(hào)以及此后的探月工程衛(wèi)星的測(cè)軌任務(wù)。同時(shí)，它在射電天文、地球動(dòng)力學(xué)和空間科學(xué)等多種學(xué)科中也成為我國(guó)乃至世界上一臺(tái)主干觀測(cè)設(shè)備。

在沈志強(qiáng)看來(lái)，VLBI的加入大幅提高了月球探測(cè)器測(cè)定軌測(cè)定位能力，對(duì)我國(guó)的月球和深空探測(cè)工程具有深遠(yuǎn)的影響。而我國(guó)VLBI本身也在探月工程的支持下，得到了空前的壯大與發(fā)展，反過(guò)來(lái)又促進(jìn)了射電天文的迅猛發(fā)展。

2009年，北斗三號(hào)工程正式啟動(dòng)建設(shè)。經(jīng)過(guò)一系列的技術(shù)升級(jí)，北斗三號(hào)相較于北斗二號(hào)在信號(hào)質(zhì)量、衛(wèi)星廣播軌道和鐘差精度、電離層模型改正精度以及定位精度都有了大幅的提升。在去年北斗三號(hào)最后一顆衛(wèi)星入網(wǎng)工作中，上海天文臺(tái)北斗團(tuán)隊(duì)繼續(xù)在“最強(qiáng)大腦”“強(qiáng)心臟”和“量天尺”三個(gè)方面為北斗保駕護(hù)航。

中科院上海天文臺(tái)研制的被動(dòng)型星載氫原子鐘，1000萬(wàn)年才誤差1秒。

中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)天文地球動(dòng)力學(xué)研究中心主任胡小工告訴《新民周刊》記者，時(shí)間和空間位置信息，都是一個(gè)國(guó)家重要的戰(zhàn)略資源。要實(shí)現(xiàn)分米級(jí)、厘米級(jí)的導(dǎo)航定位精度，北斗衛(wèi)星必須有一顆強(qiáng)勁而靠譜的“心臟”——星載原子鐘，同時(shí)還要有一個(gè)敏銳清醒的“大腦”——信息處理系統(tǒng)。

2002年，上海天文臺(tái)在多年研制地面主動(dòng)型氫原子鐘的基礎(chǔ)上，啟動(dòng)了被動(dòng)型星載氫原子鐘的研究。2015年，由他們完成的我國(guó)首臺(tái)星載氫原子鐘，隨新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星升空。五年來(lái)，跟隨北斗衛(wèi)星上天的氫鐘性能不斷提升，且已完全實(shí)現(xiàn)元器件、原材料、核心技術(shù)的自主可控。據(jù)介紹，目前，上海天文臺(tái)的科研人員已研制出更加輕巧的北斗“心臟”：成功將氫鐘從23公斤減重到13公斤，將用于北斗補(bǔ)網(wǎng)衛(wèi)星。

有了強(qiáng)勁“心臟”外，還需“最強(qiáng)大腦”。胡小工表示，為了實(shí)現(xiàn)北斗三號(hào)精密定位服務(wù)性能指標(biāo)，在區(qū)域地面布站等不利條件下，上海天文臺(tái)團(tuán)隊(duì)首次提出并實(shí)現(xiàn)了區(qū)域監(jiān)測(cè)網(wǎng)+星間鏈路的星地星間聯(lián)合精密定軌技術(shù)，并特別設(shè)計(jì)了聯(lián)合定軌數(shù)據(jù)處理算法的穩(wěn)健性和容錯(cuò)性。

在這個(gè)過(guò)程中，胡小工帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了“從科學(xué)家到工程師”的轉(zhuǎn)型。但最終，這套信息處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)修正誤差，多備份，能保持高可靠度，空間信號(hào)精度優(yōu)于GPS系統(tǒng)。

此外，為進(jìn)一步演算北斗精度，上海天文臺(tái)還研制了一把特制的激光“量天尺”——國(guó)內(nèi)首套可移動(dòng)式全天時(shí)衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)，最遠(yuǎn)測(cè)距可達(dá)38800千米，成功應(yīng)用于北斗衛(wèi)星厘米級(jí)精度激光測(cè)距。

天馬望遠(yuǎn)鏡（65米射電望遠(yuǎn)鏡）。

黑洞研究又一個(gè)里程碑

為山九仞，豈一日之功。沈志強(qiáng)也深知，上海天文臺(tái)之所以能夠參與諸多國(guó)家重大工程的科研工作，離不開(kāi)深厚的基礎(chǔ)研究做支撐，“這背后其實(shí)是隱含了很多基礎(chǔ)的前沿科學(xué)”。

多年來(lái)，上海天文臺(tái)努力為研究人員，尤其是青年人才，創(chuàng)造更好的科研環(huán)境。一項(xiàng)項(xiàng)成果不斷涌現(xiàn)：提出了磁主導(dǎo)噴流的解析模型;建立了目前最優(yōu)的活動(dòng)星系核反饋物理模型;首次解釋了活動(dòng)星系核反饋導(dǎo)致星系團(tuán)中的富金屬外流現(xiàn)象;首次在伽馬射線能段發(fā)現(xiàn)月級(jí)的耀變體準(zhǔn)周期振蕩光變，揭示了耀變體噴流的螺旋結(jié)構(gòu);獲得更精確的銀河系塵埃整體分布尺度;利用65 米射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)300 個(gè)甲醇脈澤源……

3月24日22點(diǎn)，事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）合作組織發(fā)布了M87超大質(zhì)量黑洞的最新照片：它在偏振光下的影像。

為了觀測(cè)M87星系的中心，該合作組織將世界各地的八臺(tái)望遠(yuǎn)鏡連接起來(lái)，創(chuàng)建了一個(gè)虛擬的類似地球大小的望遠(yuǎn)鏡——EHT。EHT的分辨本領(lǐng)相當(dāng)于在地球上看清月面一張信用卡所需的分辨率。來(lái)自全球多個(gè)組織和大學(xué)的300多名研究人員參與了這項(xiàng)研究。上海天文臺(tái)牽頭組織協(xié)調(diào)包括8位臺(tái)內(nèi)研究人員在內(nèi)的國(guó)內(nèi)學(xué)者參與了此次的EHT合作。

2019年4月10日，EHT團(tuán)隊(duì)發(fā)布了有史以來(lái)第一張黑洞照片，揭示了一個(gè)明亮的環(huán)狀結(jié)構(gòu)及其黑暗的中央?yún)^(qū)域——黑洞的陰影。當(dāng)時(shí)的照片看上去像一個(gè)溫暖的橙色“甜甜圈”，而這次的影像則顯示出了“甜甜圈”更為細(xì)膩的結(jié)構(gòu)——如同一輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的煙花。

經(jīng)過(guò)近兩年的深入研究，科學(xué)家對(duì)人類首次“看見(jiàn)”的那個(gè)黑洞，成功繪制出偏振圖像。北京時(shí)間3月24日22時(shí)，包括中國(guó)在內(nèi)的多國(guó)科學(xué)家合作的相關(guān)研究論文，發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊《天體物理學(xué)雜志通訊》。

據(jù)了解，這些順滑流暢的曲線意義重大。EHT合作組成員之一的沈志強(qiáng)認(rèn)為，首先它透露了黑洞邊緣的光是如何產(chǎn)生的，“我們可以推斷出，黑洞周圍有相對(duì)論性的氣體，它們運(yùn)動(dòng)速度很快，相對(duì)論性電子在磁場(chǎng)里運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生同步輻射”，現(xiàn)在觀測(cè)結(jié)果證明它就是來(lái)自同步輻射。

而對(duì)于研究黑洞的天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)工作是一個(gè)重要的里程碑：偏振光所攜帶的信息能讓我們更好地理解2019年4月發(fā)布的首張黑洞圖像背后的物理機(jī)制。此次偏振觀測(cè)的結(jié)果還提供了有關(guān)黑洞外緣磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的新信息。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，只有以強(qiáng)磁化氣體為特征的理論模型，才能解釋在事件視界看到的情況。

這幅全新的黑洞及其陰影的EHT偏振圖像，使天文學(xué)家首次成功探究黑洞外緣區(qū)域——在那里，物質(zhì)可能被吸入或被噴射出來(lái)。

此次偏振觀測(cè)的結(jié)果還提供了有關(guān)黑洞外緣磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的新信息。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，只有以強(qiáng)磁化氣體為特征的理論模型，才能解釋在事件視界看到的情況。

沈志強(qiáng)表示，根據(jù)現(xiàn)在偏振觀測(cè)結(jié)果，黑洞外緣磁場(chǎng)還有很多方面有待研究，天文學(xué)家需要更加清晰細(xì)致的觀測(cè)結(jié)果。

目前，EHT正在通過(guò)對(duì)陣列進(jìn)行技術(shù)升級(jí)和增加新的觀測(cè)臺(tái)站，來(lái)進(jìn)一步提升分辨本領(lǐng)。未來(lái)，EHT觀測(cè)能更準(zhǔn)確地揭示黑洞周圍的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，并告訴人們更多關(guān)于這一區(qū)域熱氣體的物理性質(zhì)。

除EHT項(xiàng)目外，還有越來(lái)越多的國(guó)際科研合作項(xiàng)目正在開(kāi)展。就如同當(dāng)年認(rèn)定不能錯(cuò)失“VLBI”一樣，上海天文臺(tái)從一開(kāi)始就特別關(guān)注平方公里射電陣（SKA）項(xiàng)目，“中國(guó)不能錯(cuò)失‘SKA”，沈志強(qiáng)說(shuō)。

所謂“SKA”，是一個(gè)總接受面積達(dá)平方公里的巨型射電望遠(yuǎn)鏡陣列，由世界各國(guó)的數(shù)千個(gè)較小的射電望遠(yuǎn)鏡組成，每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量預(yù)計(jì)是當(dāng)下全球互聯(lián)網(wǎng)總流量的10倍。宇宙的起源和演化、銀河系結(jié)構(gòu)、行星的形成和分布......這些待解“謎團(tuán)”的“鑰匙”或許就在SKA里。

（本文圖片由中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)提供）