揭秘4.4米“巨眼”JUST

　　中国天文观测将再添利器。

　　日前，上海交通大学宣布，由该校牵头建设的我国首个大型通用光谱望远镜JUST（Jiao-tong University Spectroscopic Telescope，简称JUST）落户青海冷湖并开启基建项目建设。JUST建成后，将标志着国产大型通用光谱望远镜实现新的突破。

　　JUST光谱望远镜口径4.4米，主镜由18块正六边形薄子镜拼接而成，采用轻量化设计，具备口径大、集光能力强、响应快速等优势。望远镜配备3台高性能观测终端，分别对应三大科学目标：其中多目标光纤光谱仪用于研究黑暗宇宙，积分视场光谱仪用于追踪动态宇宙，高分辨光谱仪用于探测系外行星。

　　为何“定居”冷湖

　　望远镜是开展天文观测、支撑天文研究的核心设备。然而，国内大型先进观测设备有限，天文界过去长期依赖国外望远镜从事天文研究，通过国际合作或支付观测费用获取有限的观测资源。

　　“借用别国望远镜，不仅贵，还容易耽误时间，耽搁研究进度。”上海交通大学李政道研究所副所长、JUST项目负责人杨小虎告诉记者，天文研究的一个核心要素就是“天文观测”，尤其是时域天文，研究进展很大程度上取决于“你能观测到什么”。而这种观测，往往对时效要求极高。

　　“望远镜的建设方和拥有者往往有最高的望远镜使用权限，比如我们要申请国外望远镜的某个时间段进行观测，往往只能选择更高观测权限的研究者挑选剩下的时间，对方分配给我们的时间就会相对差一些。如果你的观测时间天气又恰巧不好，那这次观测，几乎可以说是没有价值的。”杨小虎说。

　　长期以来，中国的天文学者们都渴望拥有一台自己的大型通用光谱望远镜，这样才能真正掌握核心观测资源。

　　青海省海西蒙古族藏族自治州茫崖市冷湖镇赛什腾山，是全球天文学家的“朝圣之地”，它的观测条件可以与世界三大天文台址——夏威夷的莫纳克亚山、加那利群岛以及智利的阿塔卡马沙漠相媲美。这里自然条件得天独厚，气候干燥，水汽值低，大气稳定度优良。冷湖地区人烟稀少，几乎没有光污染，是具有优秀视宁度的一流观测台址，为天文观测提供了绝佳的环境。

　　上海交通大学于2022年决定建设4.4米口径的JUST光谱望远镜，经深入实地考察，最终确定将冷湖天文观测基地赛什腾山顶4320米海拔的B平台，作为JUST望远镜的安置地点。

　　为何“捕捉”超新星

　　JUST建成后，将重点聚焦三方面的科学问题：一是充分发挥光纤数密度高的优势，开展星系团密集场巡天观测，促进星系团宇宙学的研究；二是利用望远镜响应快的特点，对超新星等暂现源进行后随观测，填补暂现源光谱观测资源的空缺；三是使用超高分辨率光谱仪，对多个亮星进行监测，探测系外行星，寻找第二个太阳系。

　　星系团是由星系组成的自引力束缚体系，包含数百到数千个星系。比如，地球所在的银河系属于本星系群，该星系群大约有50个成员星系，而“星系群”可以被理解为缩小版本的“星系团”——只有拥有超过100个成员星系，总质量大于百万亿倍太阳质量，才能被称为“星系团”。

　　距离本星系群最近的一个富星系团，是室女座星系团（Virgo Cluster），最新研究结果表明，它包含了超过3600个星系。目前，天文学家已发现了上万个星系团，距离最远的达70亿光年。

　　星系团内，天体数目多且分布密集，如何全面高效地对这些天体进行光谱观测？这就需要多光纤光谱仪，多光纤光谱仪往往包含成百上千条光纤，每一条光纤都能进行单独的观测。因此，多光纤光谱仪可以同时对某个区域内的多个天体进行观测，大大提高了光谱观测效率。

　　目前，世界上光纤数最多的望远镜是美国Nicholas U. Mayall，口径为4米。它拥有5000根光纤，目前正在进行暗能量光谱仪星系光谱巡天。但是，这台光谱仪的光纤密度并不高，在星系团这种密集区域的星系观测覆盖率，仅约10%-20%。

　　JUST望远镜建成后，将拥有约2000根光纤，虽然光纤数目并非最多，但它的光纤数密度却是全球最高的，尤其适合开展星系团的光谱观测。

　　此外，JUST望远镜的响应速度比较快，非常适合对“超新星”等有时效性的暂现源进行后随光谱观测证认。

　　“超新星”是恒星演化过程中的一个阶段，虽然这类天体的名称是“超新星”，但它并不是新形成的恒星，而是特指大质量“晚年恒星”发生的一种爆炸现象。宇宙初期只有氢元素和少量的氦元素，组成地球以及人类的众多元素，都是在恒星演化以及超新星爆炸时产生的，正所谓“你我皆星尘”。

　　因此，超新星爆炸被认为是一个“重元素创造的过程”，研究超新星，有助于人们理解生命所需元素的宇宙来源。

　　“读懂超新星，实际上就能了解恒星演化的具体过程。”杨小虎告诉记者，超新星是一个动态的爆发过程，捕捉到这一过程并对它进行光谱证认，以分析其中的元素组成、运动速度及分类等，对研究宇宙的化学演化、恒星生命周期及重元素起源至关重要。而且超新星作为一种标准烛光，对研究宇宙起源也尤为重要。

　　我国已有的墨子巡天望远镜和将要升空的中国空间站巡天望远镜，都可以“捕捉”超新星，预期每晚会发现几十到上百个超新星以及其他类型的暂现源。

　　“但现有光谱望远镜的观测能力严重不足，不能及时对这些暂现源进行后随观测。”杨小虎说，JUST建成后，将会填补国内大型光谱观测设施的空缺，对有高研究价值的暂现源进行光谱证认观测，为进一步研究这些候选目标天体的物理本质提供帮助。

　　为何耗时近10年

　　据了解，JUST的建设将耗时近10年，项目总共分为两期工程。第一期为2023年至2027年，聚焦望远镜本体和终端建设工作，按照计划，2026年将完成JUST先导望远镜，2027年建成JUST光谱望远镜并获得首光。第二期为2028年至2032年，将用5年时间对望远镜及终端设备进行升级，进一步提升光谱巡天观测能力和效率，为宇宙大尺度结构与星系演化、系外行星探测研究提供具有长期科学价值的基础数据。

　　在青海冷湖赛什腾山上“放”一台望远镜，为啥要耗时那么久？杨小虎告诉记者，JUST的建设过程，每一步都充满挑战。

　　比如，从望远镜本身来讲，一个4.4米口径的主镜，让它时刻保证最佳的镜面形状，就需要在主动光学领域具备最先进的镜面校正技术，以消除望远镜光学系统及支架受重力和温度影响引起的变形。

　　其次是光纤定位，在地球上观测天体，望远镜观测的跟踪精度要好于0.1个角秒。“光纤定位系统对准精度要求达到10微米，且2000根光纤都要有这个对准精度。”杨小虎说，这样才能保证在同一个焦面上一次性精准地“看到”2000个天体，“只有对得准，才能看得到”。

　　他打了个比方：这就像是用2000个针尖，同时精准戳中2000个只有发丝直径十分之一的地方，难度极高。

　　除望远镜本身外，望远镜的软件设计也至关重要。科学家使用望远镜开展巡天观测要制定一个观测策略，也就是为所有期望观测的上千万候选天体，制定一个观测程序，这需要一套先进的软件来完成。

　　“我们还要考虑到望远镜使用的经济性。”杨小虎说，如果科学家在测光巡天观测中突然发现一个超新星候选体，他需要JUST光谱望远镜后随观测来确认“它是不是超新星”。这时，望远镜正在进行的光谱巡天观测是否就要暂停了呢？

　　按照JUST的软件设计思路，遇到这种情况，会采用预留的一个光纤束来观测这颗超新星，剩下的2000根光纤则需要跳出原来的计划，重新编排超新星所在位置尚未被观测的候选天体，开展巡天观测。

　　“我们期望这种临时调整能够在2分钟之内完成。”杨小虎说，望远镜的有效观测时间很短，一个晚上总共只能看4-6小时，这种有“意外发现”的情况如果出现两三次，调整时长又太长的话，会极大地影响观测效率。

　　他告诉记者，建成后的JUST有望每年产生超过1PB的观测数据，相当于20万部高清宇宙纪录片。这将为中国天文学研究提供前所未有的数据支持，助力中国天文学家取得更多原创性的重大发现。

来源：中国青年报