兩萬個機器人在“蜂巢”里辛勤勞作，只為繪制史上最大的宇宙三維地圖 | 科學講壇——黃崧

如果你知道恒星什么時候升起，

什么時候落下；

如果你記住恒星在哪兒升起，

在哪兒落下，

你就永遠能找到回家的路。

黃崧· 清華大學天文系副教授

格致論壇第124期 | 2025年10月25日 北京

今天，我給大家講一個非常簡單的小故事。在故事的開頭，我想先問大家一下，有多少人看過迪士尼的一部動畫電影《海洋奇緣》（Moana）？

以恒星為指引

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過去的幾年中，《海洋奇緣》是我最喜歡的迪士尼電影。在這部電影里，有一位生活在太平洋小島上的姑娘Moana，在祖先的召喚下與半神毛伊結識，踏上了一場共同拯救海洋家園的旅程。

這個故事略顯俗套，但卻非常感人。其實最吸引我的，是它的天文元素。我不知道有多少人關注到了這一點：電影里，Moana在海上航行的時候，她做了這樣的一個動作——伸出手，她的大拇指指向海平面，手掌與大拇指呈90度，緩慢地旋轉手掌，最終食指的指尖與三顆星平行

這三顆星實際上是獵戶座，電影里的這一幕不是隨機出現的，Moana做的這個動作在科學和歷史上都是完全正確的。

實際上，像Moana這樣的太平洋先民們，曾經利用恒星作為導航，征服了整個太平洋。他們就是駕著這樣看似非常簡單的雙體帆船，從大概公元前2000年，中國的東南沿海出發，經過現在中國的臺灣省，沿著菲律賓、印度尼西亞、幾內亞一路追風逐浪，踏島前行。

他們以恒星作為指引，在接近一千年的時間里，征服了太平洋，建立起了波里尼西亞、美拉尼西亞、密克羅尼西亞三大文化圈，北至夏威夷島，東至復活節島，南至新西蘭島的最南端。可以說，他們把整個太平洋都囊括在了自己文化的范圍之內。

于我而言，這是人類歷史上一場最偉大的遠航。在這些太平洋島民先人的眼中，天上沒有一顆亮星不是自己的朋友，手上沒有一個關節不是導航的工具。

到今天，這種導航技術（Wayfinding）雖然已經接近失傳，但在僅存的一位航海大師和幾位有心人的幫助下，我們還能夠還原出這個非常偉大的夏威夷恒星羅盤。

就像我剛才說的，夏威夷先民們是用所有天上的亮星來為自己指引，在大海當中找到回家的路。其中，一位非常有意思的航海家，叫Nainoa Thompson。他是夏威夷國王卡美哈梅哈的后裔，同時又帶有英國人的血統，但是他后來投身到了幫助波利尼西亞人發展航海技術的事業中。他所做的雙體帆船，僅憑夏威夷傳統的航行導航技術，就從夏威夷島航行到了塔希提島，證明了當年海上通路的存在。

他曾經說過這樣一句非常簡單的話，讓我記憶非常深刻：如果你知道恒星什么時候升起，什么時候落下；如果你記住恒星在哪兒升起，在哪兒落下，你就永遠能找到回家的路。

雖然是很樸實的一句話，但是非常好地道出了人類和天文、恒星最早期的一種直接的、親密的關系。

當然，我們中國人對這樣的故事也絕不陌生。明朝永樂年間，著名的航海家鄭和就是靠著類似圖里幾塊簡單的、大小規定的木板和豐富的天文學知識，來丈量恒星距離海平面的高度。歷經千辛萬苦，七下西洋，他在距中國十萬余里的印度古里古國留下了“民物咸若，熙皞同風”的感慨。

▲Credit: 司天靈臺

在鄭和到達古里后的500多年，中國的一位天文學家——北京天文臺的臺長李啟斌先生在《今晚報》上發出感慨，寫了一篇文章《假如鄭和知道地球是圓的》。換句話說，在這篇文章里，李老師想要表達的是，雖然當時明朝的航海技術非常發達，但其實還是缺乏對地球或者說對世界觀的清晰認識，才遺憾沒能先于西方發起人類歷史上又一次最偉大的遠航。

可能還有些遺憾的是，人類在地球上探索的過程已經接近尾聲，但人類探索自身內心以及外面廣闊世界的腳步，永遠都不會停下。著名的天文學家、科普作家Carl Sagan在他的名著《Pale Blue Dot》里曾經這樣說過：通向荒野的道路，就像兒時熟悉的童謠。雖然幾乎都被遺忘，但它還是時時會出現在腦海，提醒我們踏上遠方的路。

繪制宇宙三維地圖

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今天，人類已經踏出了地球的懷抱，我們也開始擁抱著航天時代的到來。但是在這樣的環境下，人類是否需要建立一個更加完整和真實詳細的宇宙觀，擁有一張宇宙中的地圖指引我們呢？

很遺憾的是，探索宇宙的道路可能比探索地球還要艱難。我們無法指著天上某一個地方說：看，宇宙就是在這里起源的。人類認識宇宙的過程非常艱辛，直到400多年前，一位叫尼古拉斯·哥白尼的波蘭人才告訴我們：其實地球不是宇宙的中心，地球是圍繞著太陽運動的。

400多年后，20世紀初期一位來自美國密蘇里州的年輕人，養了一只叫做尼古拉斯·哥白尼的黑貓。這位叫埃德溫·哈勃的年輕人，從威爾遜山上傳來一個驚人的消息：原來宇宙居然是在膨脹的。

我們看到了像銀河系一樣的星系，在不停地遠離我們。由于光速是有限的，埃德溫·哈勃發現星系離我們越遠，逃逸的速度也就越快。

這件事情指向了一個令人非常不安的事實 ， 那就是 —— 宇宙也許是有起點的 。 1965年 ， 美國貝爾實驗室兩位青年科學家 ， 從一個長相非常奇異的天線當中 ， 意外地聽到了宇宙創生時的回響 。 在今天 ，這個被我們稱作“宇宙微波背景輻射”的，宇宙年齡只有38萬年時候留下的遠古創生時期的“火墻”，切切實實地證明宇宙曾經是有一個無比致密、炙熱的起點。

這道“火墻”證實了宇宙的創生，但也阻擋著天文學家認清宇宙最開始創生時候的面貌。好在宇宙并不是完全殘忍的，在余暉散盡之后的黑暗當中，最終是有星光誕生出來。在引力的洪流當中，這些星光不斷地匯聚、碰撞，最終形成了一個一個的星系。

在今天 ， 如果你把一架望遠鏡對上全天的任意一個角落 ， 只要你有足夠的耐心去收集那里的光子 ， 你都能看到像這張圖中這樣一副非常繁忙的景象 。

▲Credit: Damien P.George

我在上課的時候，有時候管它叫“宇宙的清明上河圖”。在這張圖里有或大或小、顏色各異、形態各異的星系，其中的絕大多數都是宇宙深處的宇宙島，像銀河系一樣由無數恒星，以及更加神秘的暗物質所組成的星系。

人類在剛剛認識到宇宙中充滿這么多星系的時候，就已經開始去設想一個問題：我們有沒有可能去繪制一張宇宙的三維地圖，來認清銀河系處在一個什么樣的位置？

1988年，美國的天文學家主導了一個叫做CFA巡天的項目，利用當時世界上最先進的望遠鏡，測量了1000多個河外星系退行的速度。這個量在天文學上被我們稱作“紅移”，然后繪制出了這樣一張看似非常簡單的草圖。

在這張草圖里面，有一個中心，如果大家仔細看，有一個被戲稱為“火柴人”的小人結構，在當時還讓天文學工作出了一次圈，成為美國流行文化的短暫傳播現象。

今天，我們知道這個“火柴人”的中心，其實是距離我們數百萬、上千萬光年的一個非常大質量的星系團。這意味著在我們的銀河系周圍，有很多星系并不是以均勻和隨機分布的方式聚集著，這其中蘊藏著關于宇宙的許多深刻道理。

在此之后，天文學家嘗試繪制宇宙三維地圖的腳步再也沒有停下。2000年初，美國新墨西哥州戈壁灘深處一架2.5米口徑、被稱作“斯隆數字巡天”的望遠鏡睜開了“眼睛”。在此之后的十幾年的時間里，斯隆數字巡天在北天兢兢業業地為我們繪制了當時世界上最詳細的三維地圖。

在這張地圖上，看似很夸張的“火柴人”已經消失不見，取而代之的是一張讓人非常著迷的宇宙網絡。我們可以看清，在更遠的距離上宇宙的這些星系、暗物質原來存在著如此復雜的細節。看似黑暗深邃的宇宙當中，其實阡陌交錯、雞犬相聞，有各種各樣的結構令人著迷。

這不僅令公眾著迷，也讓天文學家深深地著迷，2010年之后，美國的另一組天文學家決定要把這件事情做得更大。在美國亞利桑那州基特峰天文臺頂端，一架4米望遠鏡（暗能量巡天）裝備了由5000個小機器人武裝起來的光纖定位系統，利用這樣一個至今仍是世界上正在運行的、最先進的宇宙學光譜巡天項目，天文學家繪制了近千萬個星系組成的宇宙三維地圖。

▲暗能量光譜巡天項目：2024年繪制近千萬個星系

▲美國暗能量光譜巡天項目獲得的目前人類最詳細的宇宙大尺度結構三維地圖

我們精確地測量了這些一直到宇宙年齡只有今天一半時期的星系退行的速度，并且推斷它們的距離。我們從中得出了可以說最精密的、很多宇宙學基礎物理參數的測量。

然而，人類繪制宇宙三維地圖這樣一件看似不可能但非常宏大的目標，在過去的差不多不到40年的時間里，也已經被大大地推進。今天，我們依然需要謙虛地認識到，人類所能涉足的宇宙也僅僅是當年這道巨大“火墻”的一塊磚頭。我們還有非常深邃的宇宙，完全沒有被探索。

我們把目光收回到剛才給大家展示的這張“宇宙的清明上河圖”上。在圖上，用圓圈標出來的這些天體，是我們目前有它的光譜觀測，并且知道這些遙遠星系退行的速度以及組成的適中的宇宙三維地圖是什么樣子。

即便不需要天文學訓練就可以看出,在這些圓圈的背后和旁邊依然有無數個暗淡的、各種顏色的光點在向我們招手，這些就是宇宙當中更深遠地方的星系。我們天文學、宇宙學都需要知道更詳細的星系，到更深的宇宙當中去理解它們的三維分布。

MUST：引領世界新標桿

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這也是為什么幾年之前，包括我在內的清華大學和中國的一批天文學家，決心要引領世界光譜巡天的新標桿，來嘗試做一件比較大的事情。

我們所從事的這個項目有個很好聽的名字，叫做MUST。這個名字來自清華大學天文系的前系主任毛淑德老師，我們也希望這個簡短的縮寫能夠體現出，我們這群天文學家的勇氣和真意。

這架望遠鏡，目前正在中國被建造當中。簡單介紹一下，它在世界上也許不是最大的，但它擁有一面6.5米直徑的單鏡面反射鏡作為它的光學系統的核心。

▲Credit: 清華大學天文系/MUST團隊

這個鏡面也是我們中國制造的目前最大的單獨鏡面。在整個和它主鏡反射面相對的地方，還有一面2.5米直徑的副鏡。這是一面凸面鏡，如果對中國天文學有些了解的人可能知道，目前在我們中國最大的通用型望遠鏡口徑就是2.4米左右，而MUST望遠鏡僅僅一個副鏡就這么大。

這兩個鏡面相向而對，組成了整個MUST的主要光學系統。然而這還遠遠不夠——在主鏡的中心，我們還專門設計了一個，由5片超級大的透鏡組成的寬視場改正鏡。其中最大的一片透鏡直徑達到了1.6米。

大家可能很難想象，如果你看一眼戴的眼鏡或者手機的鏡頭，這些都是透鏡，而我們要用的透鏡達到了1.6米。之所以要這樣做，是因為我們必須保證MUST這架望遠鏡的口徑必須能在接近6平方度，超過滿月大小的視場里面，獲得非常高的成像質量。

我們還在這個望遠鏡最終光線匯聚的焦面處，用像搭積木一樣的方式（我們稱之為“模塊化”），匯聚了2萬個小小的光纖定位機器人，為它配置了40套放到國際上依然是先進的三通道多目標光譜儀，讓它去拍攝宇宙深處遙遠星系的光譜，并從光譜當中去推斷它們退行的速度和離開的距離，由此來繪制人類歷史上最宏大的宇宙三維地圖，幫助我們回答宇宙當中的一些重要基礎問題。

前面展示的美國暗能量巡天得出的宇宙三維地圖，與現在的圖像相比，我們可以看到——這個在今天被宇宙學家稱為第五階段Stage 5的宏大設想，比現有的人類認知拓展了廣大的范圍。我們所能測量的星系，一直延伸到宇宙年齡只有今天的1/3左右的時間。

為什么要這么做呢？我想引用楊振寧先生的一句話，他在之前的一篇物理學的評論文章當中，非常犀利地指出——我們21世紀的物理學，也許必須重新找到一些重要的基礎問題，來恢復理論物理學所具有的詩意和哲學的品質。

而楊先生恰恰認為，天體物理學和宇宙學就是這樣的領域。因為在我們的領域里面，還有許多像暗物質、暗能量、宇宙爆脹的理論，直至今天也被天文學家反復傳頌，但其實我們依然知之甚少。這些理論，必須在21世紀被真正嶄新的物理學概念所取代。

在清華大學天文系趙成教授團隊的領導下，我們MUST項目在去年（2024年）已經發布了大尺度結構宇宙學巡天的科學白皮書。這是一張白皮書里提綱挈領的圖。這張圖可能對大家來說，看上去比較艱深。在它的左面，實際上是用一個叫做宇宙物質功率譜的形式，極端概括地展示了宇宙學的究極目標。

換句話說，我們想要了解的是宇宙當中一切萬物的時空分布規律。如果能用一定的統計手段，把這個規律變換成一條曲線，它就長這個樣子——在曲線的不同端，代表了宇宙尺度從小到大的變化。在這條曲線上面，觀測和理論之間哪怕1%的差別，都有可能意味著基礎物理的某些理論具有顛覆性的變化。

這張圖展示了不同的時空尺度上，我們的MUST望遠鏡將用不同的宇宙學探針，為宇宙深處不同距離、不同性質的遙遠天體示蹤宇宙物質演化，探尋不同尺度上的物質分布規律，并最終幫助我們嘗試去回答：暗物質到底是什么？暗能量從哪里來？宇宙在極早期所經歷的駭人聽聞的爆脹，到底是怎么一回事？

我們甚至在項目還沒有開始的情況下，把未來已經規劃好了：大概在2030年左右，青海冷湖的賽什騰山，在海拔4000多米的山頭上，我們的6.5米望遠鏡將花接近十年的時間，在每個月月色最佳暗淡的那幾天里面，凝望著冷湖。在這個號稱是中國最暗、最美麗的星空中，攫取宇宙深處星系的奧秘。

在接近十年的時間里，我們計劃將為人類帶來超過一億個遙遠星系的光譜測量。其中大概有4000多萬個，位于被我們天文學家稱為紅移2到紅移5，也就是高紅移的宇宙。這是人類歷史上第一次有宇宙學光譜巡天望遠鏡能夠做這樣的事情。

我們的望遠鏡在這十年的時間里，將凝視整個北天，為人類繪制最大的三維宇宙地圖。要想實現這一點，我們今天必須加倍地努力，從工程和科學的視角來建設好這架望遠鏡。

天文望遠鏡是大型精密科學裝置，雖然6.5米的主鏡聽上去很大，我們同時還要求這個主鏡鏡面的面型極其精確。主鏡的控制非常穩定，實現這一點代表了中國今天光機加工的最高水平。

也正是因為這樣，我們幾乎調動了中國和中國科學院系統里面所有能干的單位：我們望遠鏡的主鏡將由中國科學院長春光學精密機械與物理研究所來制造；副鏡在南京一家企業的幫助下，在我們的基地進行加工，并且最終由長光所幫助裝配在望遠鏡上；這個無比復雜的改正鏡組，由中國科學院南京天文光學技術研究所負責完成。最終承載的科學的焦面和光譜儀系統，將由我們清華大學的團隊來完成。整個望遠鏡的機架將在四川制造，由中國科學院光電技術研究所來完成。

我們還意識到，整個望遠鏡需要一個非常華麗并且精密的“衣服”——就是它的圓頂。這個圓頂實際上是一個非常高科技的建筑物，最終我們是聯系到了世界上圓頂設計最有經驗的、意大利的一家EIE公司，由我們共同設計。

換句話說，這是一架調動了中國乃至世界上，最會做地面望遠鏡的一批人來共同設計的大型基礎科研裝置。

我們非常感謝過去的幾年里，從清華大學到國家，以及中國一些地方政府對我們的慷慨支持。要想組裝和測試這樣一架，僅僅是主鏡直徑就達到6.5米的望遠鏡，在北京幾乎找不到合適的場地。于是，江陰市政府慷慨解囊，為我們在大運河邊建設了這樣一座非常壯觀的廠房，高度達到28米，頂棚可以打開，讓我們把望遠鏡完整地在這里組裝、測試好，最終再拆解運到冷湖山上重新組裝。

這個廠房目前已經投入使用了，大家如果有機會到無錫或者江陰去玩，可以到運河邊去看看，是個非常獨特的建筑。

我們整個望遠鏡的主鏡、副鏡、改正鏡的加工都已經開始了，在畫面的左邊是我們項目的負責人——清華大學天文系的蔡崢老師，站在巨大的透鏡鏡坯旁邊。這個如此巨大的東西，最終會變成像你手機上的、小小的透鏡一樣的東西。它會變成一片透鏡，裝在這個巨大的望遠鏡上。

2.4米的副鏡鏡坯，正在江陰的廠房里進行輕量化的加工。一塊幾噸重的玻璃，最終70%的材料都將被去除，以保證這面鏡子吊裝在望遠鏡上的時候，不僅能夠減輕望遠鏡的負擔，還能用極其精確的方式來控制它的面型和運動。

當然，我們清華大學也不閑著。畢竟我們是一所以工科見長的學校，即便像我們天文學這樣的基礎學科，目前在清華大學天文系也組建了自己的實驗室隊伍，做著一些非常好玩的事情。如果將來大家有機會到清華大學參觀，非常歡迎聯系我們，我們愿意帶大家到這里來看一看。

在整個焦面最核心的地方，我想給大家介紹最體現望遠鏡特點的一個東西。在望遠鏡光線匯聚的地方，我們不會看到簡單的一臺相機，或者說是一個簡單的設備。大家會看到的是像這樣密密麻麻的很多孔洞，由三角形的模塊組裝而成。

在每個像蜂巢一樣的孔洞當中，都住著一個直徑只有6.2毫米的機器人。這個小小的機器人，只有2個運動部件，叫做“雙回轉”。它就像人的胳膊一樣，會抓著一根細細的、直徑只有140微米的光纖，在一定的范圍內運動.

在十年的時間里，這個小小的機器人，就像是在這個蜂巢里辛勤勞作的小蜜蜂一樣，持續不斷地帶著光纖，把它非常精確地運動到天文學家想要觀測的暗淡天體的位置上，并且把遙遠的星光給收集起來。

這個項目目前是由MUST望遠鏡的國際合作單位——瑞士洛桑聯邦理工大學與我們一起研發的。這個機器人，也是我每天失眠的一個原因。因為當把它裝在這樣的一個看上去有些其貌不揚的焦面系統里的時候，它必須以一種極其精確的形式被安裝和控制。

我們可以非常驕傲地說，這是人類歷史上或者天文學史上，第一次有人想嘗試這種規模的、多目標的、復雜的光纖焦面系統。換句話說，我們清華做的這個也是不大不小的世界第一。

在過去的幾年里，我們清華大學的工程師絞盡了腦汁，開發了各種各樣的才智，為焦面設計出一個非常好玩的構型。我給一同合作的瑞士、法國的天文學家解釋說：你們喜歡滑雪，而我們MUST的焦面，就是用來收集光子的復雜科學終端，它就像一直架著一個滑雪板一樣，每天都在滑雪。

這個滑雪板的作用，其實是為了讓從焦面上傳導下來的、脆弱的光纖，以盡量短的距離，同時以不被望遠鏡的運動所干擾、不會產生纏繞擠壓的方式，輸送到位于我們望遠鏡下層的光譜儀室。只有做成這個樣子，整個從焦面到光譜儀的距離才能短10米。而短10米，意味著我們在整個望遠鏡的技術體系里面，就能夠更多地收集6%的關鍵光子，來盡快地實現我們的科學目標。

目前，為了達成這件事情，我們的團隊在清華大學做了一些非常好玩的事情。我們在用各種各樣的手段，嘗試去精密地加工、測量、檢驗這個六邊形的部分焦面板（我們戲稱為“披薩”）。

我們瑞士的同行也在夜以繼日地，進行著小小機器人的測試工作。如果一切順利的話，到2030年左右，大家應該就能在青海海西蒙古族藏族自治州冷湖鎮賽什騰山海拔4320米的A點上，看到一個非常壯觀的圓頂聳立在那里——這就是我們的MUST望遠鏡。

MUST：引領世界新標桿

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在今天，我們清華大學已經完成了一架65厘米1:10的小型原型機。大家如果去青海旅游，非常歡迎到那里去看一看。看一看青海美麗的星空，也看一看我們的望遠鏡。我希望大家在看到的時候能夠知道，在未來的某一天，人類歷史上最偉大的、最宏大的宇宙三維地圖，將在這里進行繪制。

疫情結束之后，歐洲天文學年會在波蘭克拉科夫召開。半夜時，我特意到當年哥白尼所上學的克拉科夫學院，也就是今天的雅蓋隆大學。在雅蓋隆大學的外面，有這樣一座雕像靜靜矗立：哥白尼俯視著眾生，在下面的雕塑上刻著他一生的功績，以及羅馬詩人盧克萊修的哲學長詩《物性論》當中的一句話：他已經在思想和意識上超越了世界的“火墻”，達到了無邊無界。

在看到這座雕像的時候，我腦子里首先想到的是在科學哲學課上，學到過的一句話。托馬斯·庫恩的《哥白尼革命》里曾經說過：人類若不發明一個宇宙論，是不會長久生存的。宇宙論滲透在人類的每一種實踐和精神的活動當中，并賦予它們意義。

也許鄭和不知道地球是圓的，所以我們中國人沒有辦法完成世界第一個環球的航海旅行。但我們希望，在未來探索宇宙和人類精神世界的旅程當中，有我們中國天文學家所繪制的宇宙三維地圖能夠幫助我們、幫助全世界建立起一個更嶄新的宇宙論。

謝謝大家！

本文轉載自《格致論道講壇》微信公眾號

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