从光学到射电再到太空 天文望远镜带中国领略星空变幻

  • 北京青年报刘婧 (党委宣传部/新闻中心)
  • 创建于 2018-12-26
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  在中国国家博物馆正在举行的“伟大的变革——庆祝改革开放40周年大型展览”上,一批彰显我国在深空领域创新成就的重大科技装备吸引了众多观众驻足观览。在“上九天揽月”展区,500米口径球面射电望远镜(FAST)最引人注目。它的外形像一口巨大的锅,接收面积相当于30个标准足球场。据了解,“FAST”是目前世界最大的单口径射电望远镜,灵敏度高于国际同类天文望远镜,被称为“中国天眼”。科研人员可以窥探星际之间互动的信息,观测暗物质,测定黑洞质量,甚至搜寻可能存在的星外文明。

  从识别宇宙发出“可见光”星体的光学望远镜到识别“不可见光”星体的射电望远镜,再到穿过大气层、把望远镜从地面“搬”到太空,改革开放40周年以来,我国天文研究发生了翻天覆地的变化,而天文望远镜正是天文事业发展的见证者。

上世纪90年代

“LAMOST”光学望远镜让仰望星空有了“千里眼”

  “改革开放初期,我们天文台还没有一个像样的天文望远镜”,回忆起天文望远镜的历史,今年刚退休的“LAMOST”老研究员王钢这样说,当时国际上的天文学正在经历突飞猛进的发展:哈勃空间望远镜、伽马射线天文台、“8米级”新技术光学望远镜……放眼望去,世界各国的天文学家都在调动千军万马向“全波段”进军,而中国唯一的一台2.16米级口径的光学望远镜刚刚竣工,单从望远镜的口径来看,就被发达国家落下了4倍之远,很难和国际接轨,更别提“逐鹿中原”了。当时北京天文台的王绶琯院士不甘于现状,把苏定强院士等其他几位天文学家叫到一起,促膝长谈,准备加快步伐,研制一台世界口径最大的大视场望远镜。

  在天文学家的努力下,一台拥有数千只“眼睛”的望远镜应运而生,这就是今天的“LAMOST”光学望远镜,这台望远镜在国际上率先开创了在一次观测中同时获取数千个天体光谱的先河。“天上的星星很多,想要观测它们,最简单的方法就是拍照。可想要知道天体的化学成分、温度、密度、年龄等信息,还需要进行光谱测量。”LAMOST运行和发展中心常务副主任、中国科学院大学博士生导师赵永恒介绍说,“但光谱是很难拍的,一般的望远镜一次只能拍一颗星星。”事实上,美国在上世纪50年代已经把天体都拍了一遍,90年代初,已经有数亿颗天体记录在案了,人们可以清晰地知道天体所在的位置、亮度和颜色,但目前各国对天体光谱的研究连万分之一还不到。“LAMOST”的出现,让光谱的获取率达到世界最高水平,4000根光纤定位技术化作“观天巨眼”,使望远镜每次观测可同时获得多达4000 个天体的光谱。“有了天体的光谱,我们就可以利用光谱大数据为宇宙中数亿颗星星做一本百科全书”,赵永恒说,让人们不仅了解天空有哪些星星,还了解星星的构成、特点等信息。

  “LAMOST”的“观天巨眼”突破了天文望远镜大口径与大视场难以兼得的瓶颈。“大视场就像我们的照相机的广角镜头,可以一次拍很广的视野。大口径就是说它得到的光的能量就比较多,可以看到天体更深远”,正因为如此,“LAMOST”望远镜在“巡天”时刷新人们对银河系的认识。据赵永恒介绍,以前天文界公认的银河系半径只有5万光年,而通过“LAMOST”观测后,银河系半径甚至可以达到10万光年。同时,利用LAMOST数据的大样本优势,科学家精确估算了上百万颗恒星的年龄,使具有精确年龄的恒星样本增加了近千倍,为银河系演化研究提供了基础数据。此外,在LAMOST光谱中还发现了大量贫金属星,构建了目前世界上最大的、适合现有大望远镜跟踪观测的宇宙化石样本。 

21世纪初期

“FAST”射电望远镜弥补了不可见光星体的研究空白

  
  “你看太空中的天体,有亮的也有暗的,有发光的,也有不发光的”,FAST射电望远镜高级工程师潘高峰告诉北青报记者,被称为“中国天眼”的“FAST”射电望远镜就弥补了“不可见光”星体的研究空白。目前,FAST已经探测到数十个优质脉冲星候选体,已有53颗脉冲星通过系统认证,其中最早发现两颗中的一颗自转周期为1.83秒,据估算距离地球1.6万光年;另一颗自转周期0.59秒,据估算距离地球约4100光年。“事实上,银河系中有大量脉冲星,但由于其信号暗弱,易被人造电磁干扰淹没,目前只观测到一小部分”,潘高峰介绍说,脉冲星极具有研究意义,被称为“宇宙的灯塔”,可以帮助科学家绘制一份专业的“星际导航图”,让未来宇航员行走在浩瀚的宇宙中识别方向、不迷路。

  然而在上世纪90年代,我们国家的天文学家还处于“看别人脸色”研究天体的阶段。“当时国内没有钱建大型望远镜,咱们的天文学家只能向国际上有望远镜的国家申请观测时间”,潘高峰介绍说,当时国际望远镜不是谁想用就能用,使用前需要提出申请,在使用时间上也会优先考虑出资国。中国科学院大学1978级研究生、天文学家南仁东看在眼里,急在心上,“一定要建设一台自己的射电望远镜,还要比他们更大更强!”

  从1994年始,年近50岁的南仁东开始主持国际大射电望远镜计划的中国推进工作。FAST口径高达500米,其面积相当于30个足球场、8个鸟巢之大。南仁东的想法是,要找一个天然的洼地,不用动用太多土方,且必须是一个远离大城市、射电干扰小的地方。他把目标锁定在了贵州天然的喀斯特地形,提出了利用喀斯特洼地建设射电望远镜的设想。喀斯特洼地不仅可以大量地节约建设成本,同时几百米的山洼被四面的山体环绕,正好挡住外面的电磁波。十几年的选址期间,他身穿工服、头戴工帽,走遍了贵州近百个窝凼。为了更清晰地了解现场,掌握第一手资料,制定正确的危岩治理方案,65岁的南仁东和年轻人一起,在没有路的大山里攀爬。2016年,FAST正式落成启用,它作为世界最大单口径、最灵敏的500米口径球面射电望远镜,突破了射电望远镜的百米极限,开创了建造巨型射电望远镜的新模式。与号称“地面最大的机器”的德国波恩100米望远镜相比,灵敏度提高约10倍;与排在阿波罗登月之前、被评为人类20世纪10大工程之首的美国Arecibo 305米望远镜相比,其综合性能提高约10倍。

如今

“悟空号”探测卫星将望远镜从地面“搬”到太空

  天文学总是在追求“看得更远”。暗物质占据宇宙物质总质量的了85%,暗物质卫星首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进告诉北青报记者,暗物质之所以被称为“暗”,是因为它们不会发光、也不与光作用,普通光学观测无法发现,不过当一对暗物质粒子偶然正碰的时候,会同时湮灭,可能会放出质子、电子及它们的反粒子、中微子和伽马射线,如果能够精确测量到这些粒子的能谱,就可能发现暗物质存在的蛛丝马迹。然而,接收伽马射线这件事,是地球上的光学和射电望远镜无法做到的,因为这些射线的能量会被大气层吸收,所以需要把望远镜“搬”到太空中,直接“捕捉”暗物质互相湮灭时产生的痕迹。

  2011年1月,中科院启动实施空间科学先导专项,其总体目标是在“最具优势和最具重大科学发现潜力”的科学热点领域,通过自主和国际合作科学卫星计划,实现科学上的重大创新突破。悟空号就“诞生”于这个先导专项。

  三年前,作为我国第一颗暗物质粒子探测卫星,悟空号成功飞天,踏上了 “取经”之路。截至今年12月17日,卫星发射已满3年,达到预期使用寿命。据了解,“悟空”已在500公里外的太阳同步轨道上绕地球飞行16597圈,探测宇宙粒子55亿个。暗物质粒子探测卫星“悟空”的研制团队也在17日宣布,鉴于卫星目前运行状态依然良好、关键科学数据仍在累积,卫星科研团队已与各保障部门商定,让“悟空”延长两年工作时间。

 

  对话:天文技术的突破是天文研究的关键

  对话人:中国科学院大学天文与空间科学学院教授、中国科学院院士、中国科学院国家天文台研究员、北京大学天文系创建者陈建生

  北青报:国内天文望远镜发展的历程和现状是什么?

  陈建生:在国际上,天文望远镜的发展历程是先“光学”、后“射电”、再“空间”,我们国内也不例外。目前,国内这些大型天文望远镜的设备都有了,已经解决了“温饱问题”。

  北青报:那你认为,国内天文望远镜未来的发展方向是什么?

  陈建生:未来,国内天文望远镜将会在“光学”、“射电”、“空间”三个领域不断突破。当然,我们在研发更大天文设备的同时,也会加强国际合作,尝试共建大型天文设备。

  北青报:天文研究和天文望远镜之间的关系是什么?

  陈建生:目前,国际关于天文研究的重点不仅是“两暗一黑三起源”,关于系外行星、地外文明的研究也是当下国际天文界的热点。这些研究旨在探索宇宙中的未知问题,包括宇宙怎么来的,物质怎么来的,生命怎么来的等,这些问题的解决在很大程度上都依赖于天文技术的发展,天文研究和其他领域有所不同,没有先进的设备,就没有最新的研究成果。

责任编辑:余玉婷