中國(guó)天文觀測(cè)將再添利器。

日前，上海交通大學(xué)宣布，由該校牽頭建設(shè)的我國(guó)首個(gè)大型通用光譜望遠(yuǎn)鏡JUST（Jiao-tong University Spectroscopic Telescope，簡(jiǎn)稱JUST）落戶青海冷湖并開啟基建項(xiàng)目建設(shè)。JUST建成后，將標(biāo)志著國(guó)產(chǎn)大型通用光譜望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)新的突破。

JUST光譜望遠(yuǎn)鏡口徑4.4米，主鏡由18塊正六邊形薄子鏡拼接而成，采用輕量化設(shè)計(jì)，具備口徑大、集光能力強(qiáng)、響應(yīng)快速等優(yōu)勢(shì)。望遠(yuǎn)鏡配備3臺(tái)高性能觀測(cè)終端，分別對(duì)應(yīng)三大科學(xué)目標(biāo)：其中多目標(biāo)光纖光譜儀用于研究黑暗宇宙，積分視場(chǎng)光譜儀用于追蹤動(dòng)態(tài)宇宙，高分辨光譜儀用于探測(cè)系外行星。

為何“定居”冷湖

望遠(yuǎn)鏡是開展天文觀測(cè)、支撐天文研究的核心設(shè)備。然而，國(guó)內(nèi)大型先進(jìn)觀測(cè)設(shè)備有限，天文界過去長(zhǎng)期依賴國(guó)外望遠(yuǎn)鏡從事天文研究，通過國(guó)際合作或支付觀測(cè)費(fèi)用獲取有限的觀測(cè)資源。

“借用別國(guó)望遠(yuǎn)鏡，不僅貴，還容易耽誤時(shí)間，耽擱研究進(jìn)度?！鄙虾＝煌ù髮W(xué)李政道研究所副所長(zhǎng)、JUST項(xiàng)目負(fù)責(zé)人楊小虎告訴記者，天文研究的一個(gè)核心要素就是“天文觀測(cè)”，尤其是時(shí)域天文，研究進(jìn)展很大程度上取決于“你能觀測(cè)到什么”。而這種觀測(cè)，往往對(duì)時(shí)效要求極高。

“望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)方和擁有者往往有最高的望遠(yuǎn)鏡使用權(quán)限，比如我們要申請(qǐng)國(guó)外望遠(yuǎn)鏡的某個(gè)時(shí)間段進(jìn)行觀測(cè)，往往只能選擇更高觀測(cè)權(quán)限的研究者挑選剩下的時(shí)間，對(duì)方分配給我們的時(shí)間就會(huì)相對(duì)差一些。如果你的觀測(cè)時(shí)間天氣又恰巧不好，那這次觀測(cè)，幾乎可以說是沒有價(jià)值的?！睏钚』⒄f。

長(zhǎng)期以來，中國(guó)的天文學(xué)者們都渴望擁有一臺(tái)自己的大型通用光譜望遠(yuǎn)鏡，這樣才能真正掌握核心觀測(cè)資源。

青海省海西蒙古族藏族自治州茫崖市冷湖鎮(zhèn)賽什騰山，是全球天文學(xué)家的“朝圣之地”，它的觀測(cè)條件可以與世界三大天文臺(tái)址——夏威夷的莫納克亞山、加那利群島以及智利的阿塔卡馬沙漠相媲美。這里自然條件得天獨(dú)厚，氣候干燥，水汽值低，大氣穩(wěn)定度優(yōu)良。冷湖地區(qū)人煙稀少，幾乎沒有光污染，是具有優(yōu)秀視寧度的一流觀測(cè)臺(tái)址，為天文觀測(cè)提供了絕佳的環(huán)境。

上海交通大學(xué)于2022年決定建設(shè)4.4米口徑的JUST光譜望遠(yuǎn)鏡，經(jīng)深入實(shí)地考察，最終確定將冷湖天文觀測(cè)基地賽什騰山頂4320米海拔的B平臺(tái)，作為JUST望遠(yuǎn)鏡的安置地點(diǎn)。

為何“捕捉”超新星

JUST建成后，將重點(diǎn)聚焦三方面的科學(xué)問題：一是充分發(fā)揮光纖數(shù)密度高的優(yōu)勢(shì)，開展星系團(tuán)密集場(chǎng)巡天觀測(cè)，促進(jìn)星系團(tuán)宇宙學(xué)的研究；二是利用望遠(yuǎn)鏡響應(yīng)快的特點(diǎn)，對(duì)超新星等暫現(xiàn)源進(jìn)行后隨觀測(cè)，填補(bǔ)暫現(xiàn)源光譜觀測(cè)資源的空缺；三是使用超高分辨率光譜儀，對(duì)多個(gè)亮星進(jìn)行監(jiān)測(cè)，探測(cè)系外行星，尋找第二個(gè)太陽系。

星系團(tuán)是由星系組成的自引力束縛體系，包含數(shù)百到數(shù)千個(gè)星系。比如，地球所在的銀河系屬于本星系群，該星系群大約有50個(gè)成員星系，而“星系群”可以被理解為縮小版本的“星系團(tuán)”——只有擁有超過100個(gè)成員星系，總質(zhì)量大于百萬億倍太陽質(zhì)量，才能被稱為“星系團(tuán)”。

距離本星系群最近的一個(gè)富星系團(tuán)，是室女座星系團(tuán)（Virgo Cluster），最新研究結(jié)果表明，它包含了超過3600個(gè)星系。目前，天文學(xué)家已發(fā)現(xiàn)了上萬個(gè)星系團(tuán)，距離最遠(yuǎn)的達(dá)70億光年。

星系團(tuán)內(nèi)，天體數(shù)目多且分布密集，如何全面高效地對(duì)這些天體進(jìn)行光譜觀測(cè)？這就需要多光纖光譜儀，多光纖光譜儀往往包含成百上千條光纖，每一條光纖都能進(jìn)行單獨(dú)的觀測(cè)。因此，多光纖光譜儀可以同時(shí)對(duì)某個(gè)區(qū)域內(nèi)的多個(gè)天體進(jìn)行觀測(cè)，大大提高了光譜觀測(cè)效率。

目前，世界上光纖數(shù)最多的望遠(yuǎn)鏡是美國(guó)Nicholas U. Mayall，口徑為4米。它擁有5000根光纖，目前正在進(jìn)行暗能量光譜儀星系光譜巡天。但是，這臺(tái)光譜儀的光纖密度并不高，在星系團(tuán)這種密集區(qū)域的星系觀測(cè)覆蓋率，僅約10%-20%。

JUST望遠(yuǎn)鏡建成后，將擁有約2000根光纖，雖然光纖數(shù)目并非最多，但它的光纖數(shù)密度卻是全球最高的，尤其適合開展星系團(tuán)的光譜觀測(cè)。

此外，JUST望遠(yuǎn)鏡的響應(yīng)速度比較快，非常適合對(duì)“超新星”等有時(shí)效性的暫現(xiàn)源進(jìn)行后隨光譜觀測(cè)證認(rèn)。

“超新星”是恒星演化過程中的一個(gè)階段，雖然這類天體的名稱是“超新星”，但它并不是新形成的恒星，而是特指大質(zhì)量“晚年恒星”發(fā)生的一種爆炸現(xiàn)象。宇宙初期只有氫元素和少量的氦元素，組成地球以及人類的眾多元素，都是在恒星演化以及超新星爆炸時(shí)產(chǎn)生的，正所謂“你我皆星塵”。

因此，超新星爆炸被認(rèn)為是一個(gè)“重元素創(chuàng)造的過程”，研究超新星，有助于人們理解生命所需元素的宇宙來源。

“讀懂超新星，實(shí)際上就能了解恒星演化的具體過程?！睏钚』⒏嬖V記者，超新星是一個(gè)動(dòng)態(tài)的爆發(fā)過程，捕捉到這一過程并對(duì)它進(jìn)行光譜證認(rèn)，以分析其中的元素組成、運(yùn)動(dòng)速度及分類等，對(duì)研究宇宙的化學(xué)演化、恒星生命周期及重元素起源至關(guān)重要。而且超新星作為一種標(biāo)準(zhǔn)燭光，對(duì)研究宇宙起源也尤為重要。

我國(guó)已有的墨子巡天望遠(yuǎn)鏡和將要升空的中國(guó)空間站巡天望遠(yuǎn)鏡，都可以“捕捉”超新星，預(yù)期每晚會(huì)發(fā)現(xiàn)幾十到上百個(gè)超新星以及其他類型的暫現(xiàn)源。

“但現(xiàn)有光譜望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)能力嚴(yán)重不足，不能及時(shí)對(duì)這些暫現(xiàn)源進(jìn)行后隨觀測(cè)?！睏钚』⒄f，JUST建成后，將會(huì)填補(bǔ)國(guó)內(nèi)大型光譜觀測(cè)設(shè)施的空缺，對(duì)有高研究?jī)r(jià)值的暫現(xiàn)源進(jìn)行光譜證認(rèn)觀測(cè)，為進(jìn)一步研究這些候選目標(biāo)天體的物理本質(zhì)提供幫助。

為何耗時(shí)近10年

據(jù)了解，JUST的建設(shè)將耗時(shí)近10年，項(xiàng)目總共分為兩期工程。第一期為2023年至2027年，聚焦望遠(yuǎn)鏡本體和終端建設(shè)工作，按照計(jì)劃，2026年將完成JUST先導(dǎo)望遠(yuǎn)鏡，2027年建成JUST光譜望遠(yuǎn)鏡并獲得首光。第二期為2028年至2032年，將用5年時(shí)間對(duì)望遠(yuǎn)鏡及終端設(shè)備進(jìn)行升級(jí)，進(jìn)一步提升光譜巡天觀測(cè)能力和效率，為宇宙大尺度結(jié)構(gòu)與星系演化、系外行星探測(cè)研究提供具有長(zhǎng)期科學(xué)價(jià)值的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

在青海冷湖賽什騰山上“放”一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，為啥要耗時(shí)那么久？楊小虎告訴記者，JUST的建設(shè)過程，每一步都充滿挑戰(zhàn)。

比如，從望遠(yuǎn)鏡本身來講，一個(gè)4.4米口徑的主鏡，讓它時(shí)刻保證最佳的鏡面形狀，就需要在主動(dòng)光學(xué)領(lǐng)域具備最先進(jìn)的鏡面校正技術(shù)，以消除望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)及支架受重力和溫度影響引起的變形。

其次是光纖定位，在地球上觀測(cè)天體，望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的跟蹤精度要好于0.1個(gè)角秒。“光纖定位系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)精度要求達(dá)到10微米，且2000根光纖都要有這個(gè)對(duì)準(zhǔn)精度?！睏钚』⒄f，這樣才能保證在同一個(gè)焦面上一次性精準(zhǔn)地“看到”2000個(gè)天體，“只有對(duì)得準(zhǔn)，才能看得到”。

他打了個(gè)比方：這就像是用2000個(gè)針尖，同時(shí)精準(zhǔn)戳中2000個(gè)只有發(fā)絲直徑十分之一的地方，難度極高。

除望遠(yuǎn)鏡本身外，望遠(yuǎn)鏡的軟件設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。科學(xué)家使用望遠(yuǎn)鏡開展巡天觀測(cè)要制定一個(gè)觀測(cè)策略，也就是為所有期望觀測(cè)的上千萬候選天體，制定一個(gè)觀測(cè)程序，這需要一套先進(jìn)的軟件來完成。

“我們還要考慮到望遠(yuǎn)鏡使用的經(jīng)濟(jì)性?！睏钚』⒄f，如果科學(xué)家在測(cè)光巡天觀測(cè)中突然發(fā)現(xiàn)一個(gè)超新星候選體，他需要JUST光譜望遠(yuǎn)鏡后隨觀測(cè)來確認(rèn)“它是不是超新星”。這時(shí)，望遠(yuǎn)鏡正在進(jìn)行的光譜巡天觀測(cè)是否就要暫停了呢？

按照J(rèn)UST的軟件設(shè)計(jì)思路，遇到這種情況，會(huì)采用預(yù)留的一個(gè)光纖束來觀測(cè)這顆超新星，剩下的2000根光纖則需要跳出原來的計(jì)劃，重新編排超新星所在位置尚未被觀測(cè)的候選天體，開展巡天觀測(cè)。

“我們期望這種臨時(shí)調(diào)整能夠在2分鐘之內(nèi)完成?！睏钚』⒄f，望遠(yuǎn)鏡的有效觀測(cè)時(shí)間很短，一個(gè)晚上總共只能看4-6小時(shí)，這種有“意外發(fā)現(xiàn)”的情況如果出現(xiàn)兩三次，調(diào)整時(shí)長(zhǎng)又太長(zhǎng)的話，會(huì)極大地影響觀測(cè)效率。

他告訴記者，建成后的JUST有望每年產(chǎn)生超過1PB的觀測(cè)數(shù)據(jù)，相當(dāng)于20萬部高清宇宙紀(jì)錄片。這將為中國(guó)天文學(xué)研究提供前所未有的數(shù)據(jù)支持，助力中國(guó)天文學(xué)家取得更多原創(chuàng)性的重大發(fā)現(xiàn)。

 來源：中國(guó)青年報(bào)