李瑞璇 張渺

→ 墨子巡天望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)基地近景 中國科學(xué)院供圖

一望無際的大漠戈壁中寸草不生，入眼只有無窮無盡的荒山。高處的山頂上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)能眺見白色的圓頂。雖然樣式簡單，但里面的設(shè)備，卻能將浩瀚璀璨的星空?qǐng)D景置于科學(xué)家眼前，得窺宇宙的一隅。

這便是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)-紫金山天文臺(tái)大視場(chǎng)巡天望遠(yuǎn)鏡，也被稱作墨子巡天望遠(yuǎn)鏡。

2023年9月17日，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡正式啟用，成功發(fā)布仙女座星系圖片。這標(biāo)志著經(jīng)過一個(gè)月左右的設(shè)備運(yùn)行測(cè)試，望遠(yuǎn)鏡設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)基本達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)可以開展天文觀測(cè)研究。

在這張仙女座星系的“證件照”上，圖片中心區(qū)域被朦朧的星光包圍。這并不是墨子巡天望遠(yuǎn)鏡的首個(gè)成像，而是利用不同夜晚觀測(cè)的150幅圖像疊加而成，可以測(cè)定仙女座星系和其周圍環(huán)境中天體的亮度變化，幫助科學(xué)家開展時(shí)域天文學(xué)研究。

“千淘萬漉雖辛苦，吹盡狂沙始到金?！迸臄z的背后，是科學(xué)家們鮮為人知的辛苦和汗水。這張首光圖像背后有怎樣的故事？在墨子巡天望遠(yuǎn)鏡啟用前夕，記者來到位于海拔4200米的青海省海西蒙古族藏族自治州冷湖天文觀測(cè)基地，進(jìn)行實(shí)地探訪。

戈壁灘上的望遠(yuǎn)鏡

水是生命之源，可在這里，用水洗碗都成了奢侈?！跋赐攵嗬速M(fèi)水?！敝袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)天文學(xué)系博士后宛振在打包飯菜時(shí)說。在山上，他們只能用塑料碗將就著。甚至，為避免浪費(fèi)，有時(shí)幾個(gè)人共用一個(gè)碗。

不僅水不便運(yùn)輸，想自己煮飯，也會(huì)因?yàn)楦咴悬c(diǎn)不足而無法做到。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文學(xué)系教授、墨子巡天望遠(yuǎn)鏡總設(shè)計(jì)師孔旭在介紹基地時(shí)說，平時(shí)在基地值夜班的團(tuán)隊(duì)，都是從山下打包飯菜或攜帶速食產(chǎn)品上山。很長一段時(shí)間，科研人員的主食是泡面。

與這里的居住環(huán)境相配的是附近的無人區(qū)、戈壁灘。廁所在懸崖邊由幾個(gè)簡易施工板搭建，走上去咯吱作響。懸崖外放眼望去便是無窮無盡的荒山。

“晚上根本不敢出門，甚至不敢下樓，太黑了。”宛振提起，之前在荒山上沒有信號(hào)，科研人員們往往一“失聯(lián)”就是一個(gè)月。

但是，孔旭卻將這個(gè)外人眼中的苦寒之地視作一塊寶地。他解釋，到達(dá)望遠(yuǎn)鏡的星光“穿透”地球大氣時(shí)會(huì)受到影響，而海拔越高大氣厚度越薄，觀測(cè)條件越好。

“天文臺(tái)修得越高越會(huì)有明顯的優(yōu)勢(shì)。”他說。

墨子巡天望遠(yuǎn)鏡“巡天”能力如何？中國科學(xué)院發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，口徑2.5米，采用國際先進(jìn)的主焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和主鏡主動(dòng)光學(xué)矯正技術(shù)，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡可實(shí)現(xiàn)3度視場(chǎng)范圍內(nèi)均勻高像質(zhì)和極低像場(chǎng)畸變成像，同時(shí)配備7.65億像素大靶面主焦相機(jī)，具備大視場(chǎng)、高像質(zhì)、寬波段的特點(diǎn)。能夠每三個(gè)晚上巡測(cè)整個(gè)北天球一次，為北半球光學(xué)時(shí)域巡天能力最強(qiáng)設(shè)備。

記者隨孔旭來到墨子巡天望遠(yuǎn)鏡天文臺(tái)建筑內(nèi)部參觀。天文臺(tái)內(nèi)部主要分為觀測(cè)控制室、設(shè)備控制室、設(shè)備調(diào)試間、休息室和望遠(yuǎn)鏡圓頂?shù)炔糠帧?/p>

“我們會(huì)事先設(shè)計(jì)好觀測(cè)計(jì)劃，隨后給望遠(yuǎn)鏡下達(dá)指令?！痹谠O(shè)備控制室中擺放著數(shù)臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)柜，孔旭介紹，在網(wǎng)絡(luò)中斷的環(huán)境下這里可以存儲(chǔ)一個(gè)月的數(shù)據(jù)，而通過光纖傳輸至中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)20年或更長的時(shí)間。

“我們?cè)趫A頂里盡量減少所有熱源和人造成的空氣流動(dòng)?！笨仔裾f，輔助設(shè)備間是平均氣溫只有2.6攝氏度的圓頂中“最暖和的地方”。

為了減少熱量在空氣中對(duì)流時(shí)對(duì)圓頂大氣視寧度的影響，科學(xué)家們將發(fā)熱設(shè)備、噪音設(shè)備集中存放在一個(gè)小隔間內(nèi)，這也使得小隔間之外的工作空間更為寒冷。

臺(tái)階狹隘陡峭，走過這里，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡整體便呈現(xiàn)在眼前。隨著長方形圓頂天窗的開啟，一片天空顯露在望遠(yuǎn)鏡上方。

“這是國內(nèi)唯一的大靶面拼接相機(jī)?！笨仔窠榻B，“蓋子”的開啟角度為15到92度，開啟后望遠(yuǎn)鏡每30秒拍攝一張照片，隨后根據(jù)下一個(gè)目標(biāo)變換度數(shù)繼續(xù)拍攝，“我們會(huì)盡可能做好觀測(cè)策略，保證相鄰兩次拍攝的天區(qū)是相鄰的，減少大范圍轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡造成觀測(cè)時(shí)間的浪費(fèi)?！?/p>

→ 墨子巡天望遠(yuǎn)鏡拍攝的仙女座星系中國科學(xué)院供圖

拍攝獲得的數(shù)據(jù)，不僅可以用來開展時(shí)域天文研究，還可以探究暗物質(zhì)。孔旭告訴記者，不同星系中的暗物質(zhì)含量、分布可能不同，可以通過觀測(cè)研究不同類型星系的特性來研究暗物質(zhì)分布，并且通過這種方式了解暗物質(zhì)的本質(zhì)。

他以黑洞為例，對(duì)望遠(yuǎn)鏡的功能進(jìn)行說明。恒星等天體在被黑洞撕碎的過程中，黑洞周圍會(huì)突然變亮，“與‘燒煤相似，這是黑洞在‘燒恒星”?？仔癖硎荆友蔡焱h(yuǎn)鏡對(duì)大天區(qū)進(jìn)行高頻次拍攝，比較不同時(shí)間拍攝的圖片，就可以記錄下相應(yīng)的過程。

石油小鎮(zhèn)“變身”星空小鎮(zhèn)

盡管條件艱苦，但在這里，能看到最干凈的天空。

這得益于海西州政府于2023年1月1日起施行的《海西蒙古族藏族自治州冷湖天文觀測(cè)環(huán)境保護(hù)條例》（以下簡稱“暗夜星空保護(hù)法”）。

“在沒有建設(shè)天文觀測(cè)基地時(shí)，只有200余人的冷湖鎮(zhèn)區(qū)逐漸走向衰落。”冷湖科技創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)園區(qū)管委會(huì)產(chǎn)業(yè)經(jīng)協(xié)部負(fù)責(zé)人曹春林回憶。冷湖原來是由石油而興的城市，后期由于石油戰(zhàn)略的西移而沒落下來，后在省科技廳及海西州委、州政府共同推動(dòng)下與科研院所和高校聯(lián)系，開展望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址的遴選工作。

“當(dāng)時(shí)已入駐觀測(cè)基地的科研院所和高校都提出燈光保護(hù)的需求?！辈艽毫终f。

為使望遠(yuǎn)鏡擁有最好的天文觀測(cè)環(huán)境，《冷湖天文觀測(cè)基地總體發(fā)展規(guī)劃》中規(guī)劃建設(shè)的28個(gè)平臺(tái)圍合形成約40.3平方公里范圍作為閉合區(qū)，向外延伸50公里作為暗夜星空保護(hù)的核心區(qū)域；從核心區(qū)向外50公里作為暗夜星空保護(hù)的緩沖區(qū)域。

曹春林說，政府條例出臺(tái)后當(dāng)?shù)貐^(qū)域最明顯的改變是，為保護(hù)現(xiàn)有的天文觀測(cè)環(huán)境，政府對(duì)地處暗夜星空保護(hù)區(qū)內(nèi)已有規(guī)劃、還未動(dòng)工或是剛動(dòng)工的新能源項(xiàng)目重新選址，遷出核心區(qū)進(jìn)行建設(shè)；同時(shí)對(duì)現(xiàn)有鎮(zhèn)區(qū)內(nèi)的室外燈光進(jìn)行一定管控。

“我們對(duì)過亮的燈牌、墻壁外的燈帶都提出了要求?！辈艽毫峙e例，為避免晚上燈光太亮，政府對(duì)燈的開關(guān)時(shí)間也做了相關(guān)要求，同時(shí)拆除部分燈牌。

記者發(fā)現(xiàn)，條例第九條提到，“冷湖天文觀測(cè)環(huán)境暗夜保護(hù)核心區(qū)內(nèi)，嚴(yán)格控制光源種類和亮度，所有戶外固定夜間照明設(shè)施的照射方向應(yīng)當(dāng)?shù)陀谒骄€向下30度?！?/p>

“加裝燈罩后只是把燈光聚集在所需要的照明范圍之內(nèi)，避免形成向上的光源，并不是不讓存在任何照明光源?！睂?duì)于此條規(guī)定，曹春林表示保護(hù)政策與當(dāng)?shù)鼐用竦纳畈⒉粫?huì)相互制約，而是相互加分、相互促進(jìn)的作用。同時(shí)正因?yàn)閷?shí)施暗夜星空保護(hù)法之后擁有最優(yōu)質(zhì)的星空資源，冷湖鎮(zhèn)被賦予了區(qū)別于其他地方的特點(diǎn)，不斷吸引天文愛好者、游客來冷湖感受星空之美。

“如果有光污染，天空就會(huì)變亮。只有天幕背景足夠黑，才能看到更暗的天體，更有利于觀測(cè)?！辈艽毫纸忉尅?/p>

據(jù)他介紹，當(dāng)?shù)亍罢诖蛟靽H生態(tài)旅游目的地”，后期政府計(jì)劃在天文臺(tái)內(nèi)3700米海拔處建設(shè)天文研學(xué)產(chǎn)業(yè)基地平臺(tái)，開展民間研學(xué)科普活動(dòng)，同時(shí)冷湖科創(chuàng)園區(qū)管委會(huì)在山下設(shè)立門禁系統(tǒng)，對(duì)天文觀測(cè)者的參觀訪問啟用網(wǎng)上預(yù)約登記，以此保證海拔3800米以上科研單位和高校的科研正常觀測(cè)。

見證墨子巡天望遠(yuǎn)鏡“從無到有”

29歲的宛振認(rèn)為天文學(xué)是以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為主的學(xué)科，只有擁有數(shù)據(jù)才能“做學(xué)問”、培養(yǎng)科學(xué)家，不然都是紙上談兵。

“我們有了自己的天文望遠(yuǎn)鏡，首先數(shù)據(jù)方面得到了一定保證。”他說。

在墨子巡天望遠(yuǎn)鏡相關(guān)項(xiàng)目中，宛振主要參與的工作是根據(jù)觀測(cè)結(jié)果從原始圖像中提取科學(xué)數(shù)據(jù)，這也是他認(rèn)為自己在跟隨導(dǎo)師學(xué)習(xí)中收獲最大的地方。

“以前我們是拿到處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，現(xiàn)在需要我們自己去‘找數(shù)據(jù)?！蓖鹫褚婚_始對(duì)數(shù)據(jù)處理并不了解，在操作中他發(fā)現(xiàn)，從望遠(yuǎn)鏡拍攝的原始圖像到能進(jìn)行研究的科學(xué)圖像中間，有一系列復(fù)雜的處理分析過程。

宛振以“相機(jī)”為例：一般的照相機(jī)拍出的圖像與實(shí)物相比，肉眼并不能看到很大差別，但在科學(xué)領(lǐng)域中，需要減少誤差、盡可能精確測(cè)量每一個(gè)天體的位置和亮度。墨子巡天望遠(yuǎn)鏡相當(dāng)于“相機(jī)”，而宛振的工作就是校正相機(jī)成像圖片與天體實(shí)際位置和亮度之間的誤差。

通過實(shí)踐，宛振發(fā)現(xiàn)以前研究時(shí)直接拿到的觀測(cè)數(shù)據(jù)，原來如此來之不易。

與宛振同行的還有32歲的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文學(xué)系博士后李旭志。他目前參與研究的是與墨子巡天望遠(yuǎn)鏡相互配合的光譜望遠(yuǎn)鏡。

“測(cè)光可以簡單理解為‘拍照片。”李旭志說。測(cè)光是在一定頻率范圍內(nèi)把所有的光子全部接收進(jìn)來，對(duì)總亮度進(jìn)行研究；而光譜是分別測(cè)量每個(gè)頻率處的光子數(shù)?！懊總€(gè)頻率處的亮度都不一樣”。

從2016年起，李旭志便對(duì)天文學(xué)產(chǎn)生了興趣。2021年他得知墨子巡天望遠(yuǎn)鏡基地建設(shè)的消息后，主動(dòng)聯(lián)系中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文系副教授朱青峰，隨后參與到墨子巡天望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的研究中。

相比于墨子巡天望遠(yuǎn)鏡單一的測(cè)光功能，光譜望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)使得相關(guān)科學(xué)問題考量更加全面，與墨子巡天望遠(yuǎn)鏡“互補(bǔ)”。

“我最大的收獲是見證到望遠(yuǎn)鏡從無到有的過程。”李旭志表示，之前的觀測(cè)都是直接使用現(xiàn)成的望遠(yuǎn)鏡，這是他第一次真正參與到望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)過程，這也讓他有所收獲?！拔覀兠恐芏紩?huì)開會(huì)，介紹望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)進(jìn)程?！?/p>

李旭志觀察到，之前的天文學(xué)系偏理論方面的研究人員較多，做技術(shù)方面工作的研究人員較少，“墨子巡天望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)讓人才體系更加全面了”。同時(shí)，在天文臺(tái)進(jìn)行天文觀測(cè)、實(shí)際操作，都有專門的運(yùn)維團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)，隨后將觀測(cè)原始圖像傳到數(shù)據(jù)處理團(tuán)隊(duì)，再交由科學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行分析。

“從一開始的設(shè)想到最終實(shí)現(xiàn)的過程，就像看著小孩一步一步長大?！敝烨喾甯锌?，“這是國家綜合實(shí)力變強(qiáng)的一種體現(xiàn)?！彼诓稍L最后說。

（摘自2023年9月25日《中國青年報(bào)》。作者分別為該報(bào)見習(xí)記者、記者）