為了看清宇宙，希望建設(shè)更多“天眼”
——訪中國科學院院士、中國科學院國家天文臺臺長常進
本報記者 畢文婷 翟玉梅
13年前，“光譜之王”郭守鏡望遠鏡(以下簡稱LAMOST)橫空出世；6年前，暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”號劃破蒼穹；2021年，中國天眼500米口徑球面射電望遠鏡(以下簡稱FAST)面向全球開放；未來，冷湖天文觀測基地、空間站巡天望遠鏡將給我們帶來更多的驚喜……
當前，中國天文學迎來了歷史上最好的發(fā)展機遇。我國天文學如何抓住機遇實現(xiàn)領(lǐng)跑？“悟空”號、“慧眼”號等飛向太空的望遠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、射電的優(yōu)勢？近日，在與科技日報記者的對話中，中國科學院院士、中國科學院國家天文臺臺長常進闡述了自己的思考。
人類進入了空間天文時代
科技日報記者：在大眾的眼中，天文學總與浪漫的星辰聯(lián)系在一起，具體到您的研究方向空間天文學，似乎又是另一個世界了。您能否先講講什么是空間天文學？它與傳統(tǒng)的地面天文學之間有哪些不同？
常進：隨著技術(shù)的進步，天文學研究已經(jīng)進入了全波段時代。首先，我們要理解什么是全波段。根據(jù)波長，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。全波段時代就意味著，我們對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，當帶電粒子在磁場中偏轉(zhuǎn)時就會發(fā)生同步擴散，進而產(chǎn)生電磁波。當磁場增強、粒子能量增加時可能會產(chǎn)生X射線、伽馬射線等。所以，通過在不同的波段觀測宇宙，可以看到天體的不同物理過程。
最后，為什么要進入空間？這是因為大部分電磁波無法穿越地球大氣，比如科學家想要觀測天體發(fā)出的紅外線，但大氣把紅外線吸收掉了，在地面觀測不到天體發(fā)射的紅外線，所以必須把望遠鏡放到大氣頂部，也就是到空間去觀測，這就是空間天文學。
此外，由于大氣湍流運動會影響光的傳播，為了降低大氣的影響，光學望遠鏡也會被送到天上去。比如我們熟知的哈勃空間望遠鏡，它雖然在地面上也能實現(xiàn)觀測，但進入空間之后，其2.4米的口徑可以達到地面10米口徑望遠鏡的觀測水平，獲得了更高的角分辨能力。這樣，人類就進入了空間天文時代，也就是全波段時代，所有電磁波段都可以被監(jiān)測到。
科技日報記者：“悟空”號是我國將望遠鏡送到空間去的一項全新探索，它實現(xiàn)了國際首次利用空間實驗對100 TeV的宇宙線質(zhì)子能譜的精確測量。今年9月，“悟空”號又發(fā)布了首批伽馬光子科學數(shù)據(jù)，伽馬光子與暗物質(zhì)有著怎樣的聯(lián)系？對伽馬光子的數(shù)據(jù)開展研究，將為“看”到暗物質(zhì)作出什么貢獻？
常進：發(fā)射“悟空”號，主要目的是高分辨觀測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，因為大氣會對其產(chǎn)生吸收，只能到空間去觀察。
雖然時至今日，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，暗物質(zhì)可能會衰變或者湮滅產(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暗物質(zhì)粒子。另外，由于伽馬射線是不帶電粒子，不會被宇宙磁場影響，它的傳輸路徑不會發(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”號每天只測到1—2個。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)，讓全球科學家共同挖掘其科學價值。
期待未來光學巡天發(fā)展
科技日報記者：有專家提出，未來十年是光學巡天的黃金時代，國際上也早就建設(shè)了10余臺8—10米口徑的光學望遠鏡，從您的分析來看，我國光學巡天還需要從哪些方面著力？
常進：我國的光學巡天還在起步階段。一般來講，望遠鏡分為專用和通用，早期由于我國經(jīng)濟實力不強，即使是2米級的通用望遠鏡也僅有兩臺，一臺是位于河北興隆觀測基地的2.16米望遠鏡，一臺是位于中國科學院云南天文臺的2.4米望遠鏡。而擁有4米口徑的LAMOST是一臺專用望遠鏡，它只能做光譜巡天，觀測銀河系中的恒星，還沒有進入到更深宇宙。
科技日報記者：近期關(guān)注度頗高的冷湖天文觀測站，是否體現(xiàn)了光學巡天領(lǐng)域我國“自己的計劃”？
常進：冷湖是中國科學院國家天文臺在我國中西部尋找到的最適合光學巡天的地點。光學天文要求大氣透明度高、夜光背景小，這樣的地點不是很容易找到。一方面，人類活動越來越密集，晚上的背景光很強，很難看到很暗的星空。另一方面，光學巡天不僅要求大氣透明度高，還要求大氣穩(wěn)定，大氣湍流會使光線發(fā)生偏移，導致我們觀測到的星星是閃爍的。但是我們需要寧靜的星星，這樣在望遠鏡的照相底片上就會呈現(xiàn)一個點，對研究最有利。天文學家用視寧度來描述大氣背景，冷湖是0.75角秒，與國際最佳臺址同期數(shù)據(jù)大致相同。
冷湖的規(guī)劃中，中國科學技術(shù)大學和中國科學院紫金山天文臺計劃在2—3年內(nèi)共建，落成2.5米大視場巡天望遠鏡。未來，還有可能在冷湖建設(shè)12米大型光學紅外望遠鏡以及清華大學的6.5米寬視場光譜巡天望遠鏡。
但是冷湖并不是無限大的，需要天文學家提前做好規(guī)劃，不能盲目發(fā)展，不能使它無序化。
科技日報記者：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巡天的要求嗎？未來是否有搬遷到冷湖的計劃？如果搬遷，其后LAMOST在設(shè)計上會發(fā)生變化嗎？
常進：北京發(fā)展太快導致興隆的背景光比20年前增加了幾十倍，有時甚至上百倍，所以LAMOST也只能搬到更遠的地方去，目前正在計劃將它搬到冷湖。搬遷后它的設(shè)計是否發(fā)生變化現(xiàn)在還在討論中，最簡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)驗和教訓，我們希望可以進一步改進它，包括光學設(shè)計、口徑等。
望遠鏡建設(shè)前景可期
科技日報記者：為打造我國天文自主生態(tài)，您認為，在國家整體規(guī)劃和頂層設(shè)計上應(yīng)該做怎樣的考慮？
常進：我國這幾年天文學發(fā)展很快，但總體上與國際水平還有較大差距?，F(xiàn)在是射電天文一枝獨秀，光學天文與國際水平相差比較大。
在射電天文領(lǐng)域，我國掌握了大型望遠鏡的建造技術(shù)，國家的工業(yè)實力也能夠?qū)崿F(xiàn)這些技術(shù)，所以在建設(shè)射電望遠鏡方面困難小一點。就FAST來說，現(xiàn)在它在射電低頻波段的觀測能力已經(jīng)達到了世界第一，這得益于幾代科學家的努力，其實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”望遠鏡相當于“獨眼龍”，可以看到很微弱的東西，但是這個微弱的東西究竟長什么樣，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鏡，再加上貴州省得天獨厚的地形地貌，可以很快地用比較便宜的價格使其達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。
科技日報記者：在光學領(lǐng)域有怎樣的規(guī)劃？
常進：在光學領(lǐng)域，全國的天文學家正在討論望遠鏡的建設(shè)計劃，近期希望建設(shè)12米大型光學紅外望遠鏡。另外，我國還即將發(fā)射空間站巡天望遠鏡，我們稱之為中國的“哈勃”，它的視場可以達到哈勃空間望遠鏡的300倍。
光學望遠鏡，尤其是空間站巡天望遠鏡的建造，耗資更龐大，要求科學家必須要認真、踏實地走好每一步，才能使望遠鏡達到預設(shè)指標，發(fā)揮更好的效用。但是要達到革命性突破，更關(guān)鍵的是要掌握先進的關(guān)鍵技術(shù)，所以還要先在實驗室中取得突破。
當然，天文研究的國際合作也十分重要。今后我國要加入SKA天文臺等國際大科學計劃，并發(fā)展FAST陣等以我國為主的國際大科學計劃，這也將成為我國天文學發(fā)展的一個重要途徑。
當前的背景下，望遠鏡將會越建越多，相信中國天文未來的發(fā)展也一定會更加美好。
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