每三天“掃描”一遍宇宙：墨子巡天望遠鏡如何實現“墨經”中的光學夢想？

“日月安屬，何所不照？”

2000年前，屈原在《天問》中的詩句反映了他對宇宙奧秘的深刻探求。自古以來，天文就是中國文化的重要組成部分。在公元前14世紀的殷墟文化遺跡中，我們便可看到那時人們對天象的細致觀察記錄。可以毫不謙虛地說，在歐洲文藝復興之前，我國就是天文現象最精確的觀測者，記錄也是保存得最好的。古代農業活動的高度繁榮推動了天文觀測儀器和方法的發展，我國古代對天文的觀測始終領先于全球。古時候的中國人制定了極其精密的歷法來指導農業活動。郭守敬在13世紀編訂的歷法，已經將一個回歸年計算到365.2425天的精度，比歐洲的格里高利歷早了300年。

▲郭守敬，元朝時期最著名的水利工程師、天文學家、儀表制造專家

文藝復興時期和隨后的大航海時代，航海和貿易活動大大拓展了歐洲人的活動范圍，測繪定位的需求和工業及物理學的發展極大推動了天文學的研究，我國的天文研究自那時起開始逐漸落后。天文學是以觀測為根本的學科，其發展基于人們對未知夜空的探索渴望。開普勒的老師第谷可能是最后一個靠肉眼觀測記錄引導重大天文發現的天文學家。此后，先進的天文學觀測設備成為推動天文學發展的重要引擎，每一次重大發現往往都建立在觀測能力的跨越式進步之上。

我們的前輩也早早意識到了這一點。在民國時期，建立在南京玄武區紫金山第三峰天堡峰上的紫金山天文臺，是中國自己建立的第一個現代天文學研究機構，被譽為“中國現代天文學的搖籃”。隨著城市的發展，位于城市內或附近的天文臺的觀測條件逐漸無法滿足天文學觀測的要求。20世紀80年代后，天堡峰上的天文臺改建為了天文科普基地，而我們尋找優秀觀測臺址的腳步從未停下。

▲紫金山天文臺遠眺

自上個世紀以來，我們在宇宙觀測和理解方面取得了前所未有的突破。現代天文學的發展需求推動了望遠鏡性能的極大提升，使其能夠觀察到更遙遠、更暗淡的天體，并提高觀測的精準度。為了實現這一目標，科學家們不遺余力，甚至將望遠鏡發送到外太空，以避開地球大氣和人為燈光污染的干擾。哈勃空間望遠鏡就是在這種條件下極大地拓寬了人類的視野，它所拍攝的瑰麗夜空是無數孩童天文夢想開始的地方。盡管太空為天文觀測提供了極佳的環境，但由于成本、體積和重量的限制，地面天文臺依然發揮著不可替代的作用。

對于地面天文觀測而言，選擇合適的臺址是至關重要的。關鍵指標如視寧度、露點、晴夜數及天光背景亮度等都是評估觀測站優劣的重要因素。視寧度代表著觀測站區域上空大氣的穩定程度，被稱為大型光學望遠鏡的生命線。大氣不穩定會導致星像模糊，就如同我們站在河岸邊透過泛起漣漪的河水觀看水下的游魚。晴夜數決定了天文學家可用的觀測時間。天光背景亮度決定了望遠鏡能夠看到的天體的暗弱極限和宇宙空間的最大范圍。在過去幾十年里，天文學界公認世界上有三大頂級的觀測臺址：夏威夷的馬納基亞（Mauna Kea），智利的塞羅帕拉納爾（Cerro Paranal）和西班牙加那利群島的拉帕爾馬島（La Palma）；在這三大頂級天文觀測圣地上，都建設有10米級口徑的光學望遠鏡，極大地豐富了我們對宇宙的了解。

西北高原上的小鎮，全球天文學界的焦點

隨著中國天文學的快速發展，對優質觀測臺址和先進天文設備的需求日益增長。華夏土地地大物博，幅員遼闊，是否存在一個各項指標與世界三大天文臺比肩的觀測臺址呢？2021年，中國科學院的鄧李才老師等人在青海省海西州茫崖市的冷湖鎮旁找到了這樣一個臺址。他們自2018年起開始在海拔四千多米的賽什騰山上對這里的夜空和空氣進行了連續監測，并于2021年在《自然》雜志上發表了他們的研究成果。這些成果表明，賽什騰山臺址的觀測條件完全不遜色于世界三大頂級觀測臺址，使這個位于西北青藏高原上的小鎮一躍成為全球光學天文學界的焦點。

六十年前，這里曾是中國四大油田之一，每年產油超過二十萬噸，近十萬名工人和家庭在此安家落戶。隨著石油資源的逐漸枯竭，曾經繁華的小鎮逐步衰落，最終僅剩數百人常住，幾近荒廢。廢棄的建筑和遼闊的戈壁灘成了游客的打卡背景，靜靜訴說著昔日的輝煌與今日的寂寥。

▲星空下的戈壁灘。（供圖：馬瀟漢）

然而，隨著賽什騰山被認定為世界頂級的天文觀測地點，這片被遺忘的土地迎來了科學的曙光。賽什騰山旁的小鎮冷湖，經歷了六十年的沉寂后，如今再次煥發出勃勃生機。目前，山上已經部署了超過35臺大大小小的天文望遠鏡，總投資額達到了20億人民幣。這些望遠鏡中的一部分已經建設完成并開始投入使用，它們不僅為天文學家提供了研究宇宙的新工具，也為冷湖鎮帶來了經濟活力和希望。這個曾經因石油而繁榮，因資源枯竭而衰退的小鎮，現在正逐步轉型為一個科學研究和天文觀測的重要基地。

▲2020年冬季賽什騰山的雪后夕陽，天文臺籠罩在落日余暉中。（供圖：鄧李才）

截至目前，賽什騰山上最顯著的設備莫過于由中國科學技術大學與中國科學院紫金山天文臺共建的“墨子”巡天望遠鏡。官方稱其為大視場巡天望遠鏡（WFST），該望遠鏡自2023年底啟動巡天工作。"墨子"特別設計用于快速巡天觀測，配備了2.5米直徑的主鏡、先進的主動光學系統，以及一個由九塊9K*9K規模的CCD拼接成的7.65億像素相機。它最引人注目的特點是其“寬視場”，每次拍攝能夠覆蓋6.55平方度的夜空天區。為了讓讀者直觀感受到這個面積的大小，可以嘗試一個小實驗：將大拇指豎起并伸直手臂，此時你的大拇指指甲蓋大約占據了2平方度的視場，而滿月的視面積還不足0.2平方度。"墨子"通過在不同光學波段上連續拍攝，能以每三天一次的頻率持續掃描北天。

▲賽什騰山上的墨子巡天望遠鏡遠景（視頻來源：MREnderman）

墨子巡天，觀候明變

我們已經詳細探討了“墨子”巡天望遠鏡的獨特之處，這臺望遠鏡以其快速的巡天觀測能力而著稱。但快速的巡天觀測到底有何科學意義呢？

想象一位魚類研究人員，如果他只在幾個小海灣進行采樣，雖然也能收集到一些魚類標本，但這些結果只能反映局部情況，難以揭示整個海洋中魚類的分布。類似地，通過對廣闊夜空的系統性重復觀測，巡天望遠鏡幫助我們繪制出包含星系、星系團乃至宇宙物質的詳盡分布圖，建立一張宇宙奧秘的完整拼圖。在此過程中，我們還能持續記錄天體變化、發現新的天體和天文現象，探測以前未知的小行星等，為理解恒星、超新星等天體的動態過程提供關鍵數據。

▲墨子巡天望遠鏡圓頂上開有天窗，遙遠的星光就是從這個天窗照射到厚達12厘米的主鏡上，主鏡上會鍍一層銀色的鋁反射膜。（視頻來源：MREnderman）

這種觀測不僅有助于捕捉如致密天體并合的電磁對應體等罕見宇宙事件，還極大地推動了圖像處理和數據分析技術的發展。巡天觀測的長期性和系統性，就像是在叢林中設置的攝像機，不斷地監視野生動物的活動，為我們帶來了海量的數據，引導了數據處理方法的重大變革，極大地豐富了我們對宇宙的認識。

針對“墨子”巡天望遠鏡的強項，項目團隊已制定了一套獨特的巡天觀測策略。在接下來的六年里，它將執行兩個主要的巡天項目，覆蓋廣闊的天空區域并高效地收集數據。寬視場巡天（WFS）計劃將覆蓋約8000平方度的北天區域，在四個不同的光學波段進行觀測。這個項目在空間尺度上顯示出系統性，每個觀測子區域在六年內將被拍攝約90次，每次曝光時間為30秒，確保收集充足的數據來記錄天體的變化，如近地天體的運動或河外天體的亮度變化。

此外，深度高頻u波段巡天（DHS）計劃將執行一個更為高時間頻次的巡天模式，專注于捕捉時間尺度上的變化。每年將對圍繞赤道的約720平方度區域進行深入觀測，特別關注瞬時和暫現的天體現象，如超新星的早期爆發和其他快速變化的事件。

這兩種策略為“墨子”巡天望遠鏡量身定制，不僅提供了關于宇宙結構的重要數據，還幫助天文學家深入理解天體物理現象的時間變化。更重要的是，“墨子”觀測的北天區域與LSST觀測的南天球形成互補，使我們能夠獲得關于整個天空的全面視圖，極大地推動了天文學研究的全球協同和數據共享。這種基于時域天文學的巡天觀測，是探索宇宙的一個重要前沿方向，預示著天文學研究的新篇章。

▲墨子巡天望遠鏡拍攝的仙女座星系(M31)首光圖片。仙女座星系距離地球約250萬光年，直徑約20萬光年。這張照片是墨子巡天望遠鏡通過每次30秒共計150次曝光，得到的150張照片疊加合成。（供圖：中國科學院）

在2023年八月，就在“墨子”巡天望遠鏡落成前夕，我有幸親自前往冷湖鎮賽什騰山，親眼見證了這座巡天重器的壯觀。從冷湖鎮出發，沿著G215國道向東，一條灰黑的柏油公路穿越無垠的赤色大漠，蜿蜒曲折地引領我們攀登至賽什騰山頂。站在那里，我試圖想象，在這條公路建成之前，鄧老師和科研團隊是如何克服重重困難，到達這片偏遠的高地的。同時，我對那些參與修建這條道路的工人和政府所付出的艱苦努力深感敬意。

觀賞著夕陽下巨大的白色圓頂和遠方地平線上若隱若現的公路，我深刻感受到人類對未知自然的好奇心有多么強烈。現在的賽什騰山上，一個個白色的建筑從堅硬的巖石中拔地而起，其中不僅有光學巡天的50BiN望遠鏡、專注于恒星震蕩研究的SONG望遠鏡，還有搜尋和研究太陽系小天體的紫金山天文臺多應用巡天望遠鏡陣列、專注于行星大氣光譜觀測的PAST望遠鏡，以及國際領先的、用于太陽磁場精確測量的中紅外觀測系統（AIMS）太陽望遠鏡。在“墨子”巡天望遠鏡背后的另一座山峰上，塵土飛揚中，清華大學的6.5米口徑寬視場光譜巡天巡天望遠鏡臺址也正在緊張建設中。

▲星空下的冷湖實驗室。（供圖：馬瀟漢）

回顧歷史，兩千五百年前的墨子，作為華夏大地上的科學先驅，通過最早的小孔成像實驗，揭示了光的直線傳播本性。如今，以他命名的“墨子”巡天望遠鏡依托眾多科學家的不懈努力而矗立于此，不僅是對墨子精神的繼承，也預示著這臺望遠鏡將在科學史上留下濃墨重彩的一筆。