鲁宾天文台即将带来下一场天文学革命

周一 · 知古通今|周二 · 牧夫专栏

周三 · 风月同天|周四 · 观测指南

周五 · 深空探测|周六 · 茶余星话|周日 · 天象预报

翻译：张瀚之

校对：牧夫校对组

编排：张莹

后台：朱宸宇

https://www.sciencenews.org/article/vera-rubin-observatory-digital-camera

建在智利安第斯山脉一座平顶高山之上，薇拉·鲁宾天文台（Vera C. Rubin Observatory）用的是开创性美国女天文学家薇拉·鲁宾的名字命名，致敬她对宇宙暗物质研究的奠基性贡献。

早在 2010 年，这个项目就在美国十年期天文与天体物理学调查中名列前茅，由美国国家科学基金会（NSF）与能源部（DOE）主导的全额资助基础。项目团队最初将这台望远镜命名为“大型综合巡天望远镜”（ LSST）。顾名思义，鲁宾要帮助人类看清宇宙全局。

图片来源：RUBINOBS/NOIRLAB/SLAC/NSF/DOE/ AURA/P. HORÁLEK/INSTITUTE OF PHYSICS IN OPAVA

要回答重大的宇宙问题，“你需要像鲁宾这样的。它没有任何竞争对手。”华盛顿大学天文学家 Željko Ivezić（项目建设主任）说。

✦凌晨三点，心跳飙升

宁静清爽的一个五月凌晨 3 点，全球最大的天文数字相机一切看似正常。直到...

在新落成的鲁宾天文台里，现场项目科学家桑德琳·托马斯正进行着望远镜的日常维护和测试。这时，监控屏上一条代表相机温度的稳定直线突然蹿升。“我的上天，大事不妙。”她当即叫团队紧急让望远镜下线排查。

我在几个小时后紧急抵达山上，带着时差，那是我第一次亲眼看到这座让天文学家等待了 25 年的新超级生物。

鲁宾天文台坐落在一座名为 Cerro Pachón 的高大平顶山上。从 20 世纪 90 年代起，科学家就设想它能以前所未有的方式在各个维度上扫描全宇宙。鲁宾既能以宽广而深邃的视野追踪最缓慢、最永恒的过程，比如星系的聚合与宇宙的膨胀，又能每隔几晚就扫描整片南部夜空，捕捉最迅疾也最短暂的事件，比如恒星爆发、星际彗星来访，尽收眼底。

当天穹放晴，穹顶就会开启，让相机仰望星海。天气条件不好的时候，穹顶就会闭合，为整套系统遮风挡雨。

图片来源：RUBINOBS/NSF/DOE/NOIRLAB/SLAC/AURA, H. STOCKEBRAND

按计划的 10 年巡天结束时，鲁宾将累计拍下约 200 万张全景科学图像，每张达 23 亿像素（2,300 兆像素），那个时候它所捕获的宇宙信息量将超越当今任何地面望远镜。

“历史上第一次，被编目的天体数目将超过地球上的人口。”Ivezić 与合作者在 2019 年《天体物理学杂志》的综述中写道。

Ivezić 坦承，建设周期漫长，他曾担心鲁宾会被后来者超越。但 90 年代提出的那些根本性问题，至今仍未有定论。“要回答它们，你需要鲁宾，只有鲁宾。它没有竞争对手。”他说。

更重要的是，鲁宾的数据将向全世界开源，也就是说，从专业天文学家到小学学生都能在线获取。“这是科学的巨大去门槛化。”Ivezić 说。希望正是这些数据，帮我们破解仅凭单力量目难以攻克的宇宙之谜，我们需要人类的智慧团结起来。

但眼下，托马斯和她的团队必须让鲁宾重新上线...

✦从暗物质到一切会“动”的天体

三十年前的另一个凌晨 ，托洛洛山美洲际天文台（隔着鲁宾建造地址一座山头的 ）4 米望远镜控制室里，托尼·泰森灵光乍现。

那是1996年1月，当时在贝尔实验室的天文学家托尼·泰森和他的同事最近将一台新的数码相机带到了智利托洛洛山上的一台4米望远镜上。这台相机使用了当时相对较新的技术，称为电荷耦合器件（CCD）。他们把四块 CCD 组成、当时全球最强的数字相机装上望远镜，踌躇满志地打算绘制宇宙的暗物质地图。CCD把光子转为电子，再转成图像，自 1970 年代进入天文台后就迅速取代了传统的感光底板。

暗物质被认为占宇宙中所有物质的80%，天文学家不知道它是什么，但由于它对常规物质的引力效应，他们非常确定它的存在。

其中一个效应是由鲁宾本人在20世纪70年代发现的。根据星系的可见物质，恒星应该越靠近星盘边缘，它们的轨道就越慢，就像太阳系中的行星一样。相反，鲁宾和她的同事福特注意到，边缘的恒星围绕银河系中心旋转得飞快，好想要被抛入太空一样，他们一定是其他一些看不见的物质将星系结合在一起。

暗物质并不发光，但它的引力会压弯时空，从而轻微地扭曲背景星系的外形，这就是著名的弱引力透镜效应，也是为宇宙称量出暗物质分布的唯一途径。泰森认为这种被称为弱透镜效应的效应是衡量宇宙中暗物质分布的唯一方法。

这就是泰森来到智利的目的。某个夜里，泰森环顾四周，对同伴说：“伙计们，我们能做得更好。如果把更多 CCD 拼成更大的马赛克，再配合更快的计算机，咱就能建造一台能力远超以往的巡天机器，不仅能测绘暗物质。”

鲁宾天文台的工作人员在设施的一个单独部分的控制室轮班工作。

图片来源：马科斯·泽加斯/《纽约时报》

泰森决定把这个新天文台作为他的一号宠儿。转天，他赶紧向2000年十年天文学和天体物理学调查提交了一份提案，这是天文学家认为应该获得联邦资助的美国领导的任务的主要愿望清单。他的项目将调查整个天空，寻找弱透镜物体，绘制我们能探测到的所有暗物质。

“我称这个宝贝为暗物质望远镜，因为这就是我想做的，”他说。“当然啦，在最后一页，我有一张小行星威胁地球的照片，我们需要钱，这项目得有点“实际”价值不是吗。”

不过，这样的望远镜可以做的不仅仅是绘制暗物质地图。一个足够大的数码相机，再加上一个睁大眼睛的望远镜，泰森说：“这将记录一个动态的的宇宙。从小行星，脉冲星，饥饿的黑洞和任何离它们太近的注定要灭亡的恒星。我们的望远镜可以绘制出太阳系中数百万个物体，以及数百万颗超新星和数十亿个星系。它可以帮助回答我们当时甚至不知道要问的问题。

结果，第一个提议不幸落选了（也许一张毁灭地球小行星的图片还是太保守了）。但天文学界对它的评价足够高，认为这项目非常值得推进。随后，来自贝尔实验室的启动经费、查尔斯·西蒙尼 2,000 万美元捐赠、比尔·盖茨 1,000 万美元捐赠，以及 NSF 与 DOE 的持续支持，让设计与建造得以全面铺开。2010 年，项目在十年期调查中登顶，全面资金到位。最初命名为命名为大型综合巡天（“看全局”）望远镜的鲁宾开始快速发展。

✦趣味屋，三面镜

顾名思义，鲁宾的“看全局”离不开一台创纪录的一堆科技的堆积。重约 3 吨、直径 1.65 米，由 189 块 CCD 组成，成像后数秒内即可下传数据。它的有效像素量级约等于 260 部智能手机相机的总和。

除了需要创纪录的科技外，天文台的科学目标还决定了它的形状和结构。如果想要同时进行广泛、快速和深入的调查，只有一些方法可以构建一个这样的工具。举例来说，为了每 3–4 晚覆盖整片地球南部天空，每一次快门都要拍到相当于 45 个满月面积的视场，而且边缘不能模糊。这就需要一套巨大而独特的三镜系统。

首先是8.4米宽的主镜。负责在每次曝光时都收集大量的光线，再把光反射到次镜上。其次是3.5米宽的次镜，也成为了有史以来为天文学建造的最大的次镜。

为校正大视场的像差，天文学家们又加入了第三面镜。巧妙的是，三镜中的主镜与三镜由同一整块玻璃制成，这样既省空间，也更易保持同轴。光束在趣味屋般的镜面里几经反射，最终从次镜中央的孔径穿过，投向悬挂其后的大相机。做到这个份上，此时此刻，整个视场的每一束光都被修饰得跟针尖一样锐利。

鲁宾的望远镜使用了一套独特的三镜，其中两面是由一块玻璃制成的。光线照射到8.4米宽的主镜上，反射到其上方3.5米的次镜上，并反弹到下方5米的内部第三镜上。然后，它最终穿过次镜上的一个孔进入相机。

图片来源：RUBINOBS/NOIRLAB/SLAC/NSF/DOE/AURA

为了捕捉尽可能多的目标，望远镜在快门拍摄之间只有五秒钟的时间移动到新的天区。在控制室的一个正常夜晚，你可以整晚听到快门每30到50秒一次的咔嗒声。托马斯觉得这声音很舒缓。“当你什么都听不见的时候，那估计是有哪里出了大问题！”

鲁宾必须被建造在地面上。因为太空望远镜的移动速度做不到这么快。这也意味着，在望远镜旋转到一个新的位置后，它必须立即停止任何震动，这就是为什么这个巨大的仪器非常紧凑的原因。

托马斯说：“你可以想象，如果你有一个长望远镜，你只要一移动它，它就会有点振动。对于鲁宾来讲，仪器一动，像面就糊透了。”

鲁宾的选址同样关键。智利托洛洛山海拔高、空气干、光害低，是打造这类极敏感设施的理想所在。登顶那天，空气干得能让人的鼻腔发烫，不过能见度却好得能眺望数十公里都看得见。除了其他望远镜与施工用临建，所见皆是石坡与灌丛，偶尔还能遇到野马和一些可爱的啮齿动物（像长了松鼠尾巴的兔子，也就是传说中的龙猫）。

天文台附近可爱的像龙猫的啮齿动物。

天文台是一个活跃的建筑工地，所以我们都必须穿黄色反光背心和头盔四处走动。一些山顶工作人员会用贴纸装饰他们的头盔，鲁宾还有自己的定制头盔。

在计划这次访问的近一年时间里，我一直期待着看到这台巨大的望远镜投入使用。大约一个月前，建设团队向天空打开了相机快门，让第一批光子进入，从那以后，它每天晚上都尽职尽责地采集数据。这个想法是让我和其他记者观看望远镜拍摄的一些最早的完整图像。

我到达时，距离托马斯与摄制组不情愿地关闭望远镜仅八个小时。当托马斯带我参观天文台时，整个建筑都一动不动地躺着，对准地平线。在通往圆顶的路上，我们在T台架上经过了摄像队。

“我的相机动了吗？”托马斯问队员们。“让它动啊！”她转向我。“我们试图保持积极的态度，但我们都沮丧的不行。”

令人欣慰的是，我能够清晰地看到那面不同寻常的主镜。凝视它就像在看一个有趣的房子反射。从圆顶和望远镜的其他部分反射的明暗条纹在镜子的外部看起来几乎是直的，但在内部却扭曲和摆动。我来回摇晃，然后蹲下来慢慢站起来，想看看形状是如何变化的，结果我站起来的时候，人头晕目眩，差点摔倒。

✦相机的冷暖生死

鲁宾天文台是围绕世界上最大的数码相机建造的。它重约3000公斤，宽1.65米。

SLAC, ADAPTED BY B. PRICE.

图片来源: RUBINOBS/NOIRLAB/SLAC/DOE/NSF/AURA, ADAPTED BY B. PRICE

它的探测器由一个传感器网格组成，每个传感器约4厘米宽，分为21个“筏”，每个筏有9个传感器。角筏检测导向星进行校准。视野可以容纳45个满月。

SLAC, ADAPTED BY B. PRICE.

图片来源：RUBINOBS/NOIRLAB/SLAC/DOE/NSF/AURA, ADAPTED BY B. PRICE

相机故障的谜团促使托马斯和她的团队研究了望远镜设计的另一个基本方面，也就是温度控制。

保持相机的探测器低温至关重要。热能可以触发CCD释放电子，这可以模拟太空中物体的信号。保持尽可能低的温度有助于确保探测器只报告实际来自天空的光子。鲁宾将收集前所未有数量的光子，每三到四天观测一次南半球的整个可见夜空。

探测器背面还有一个-123摄氏度的金属低温板，以及有一个-40摄氏度的冷板，全部密封在真空中。制冷管路将冷却液通过相机，然后从望远镜后部蜿蜒流出。即使是闪闪发光的圆顶的外部也是专门设计的，可以反射望远镜的阳光。

因此，托马斯和她的同事们急于弄清楚为什么冷冻板在5月的那个晚上凌晨3点突然升温？

在调试阶段，当机组人员对新望远镜进行测试时，预计会出现危机。鲁宾委托美国SLAC国家加速器实验室的研究员凯文·范宁说：“你在实验室里测试即使一切完美，现实总是会给你一巴掌。”

不过，范宁说，鲁宾在过去的一个月里工作得出奇地好。这是它的第一次危机。但苏黎世大学的委托科学家肖恩·麦克布赖德在我访问期间告诉我，这种影响可能比检测假光子更糟糕。

随着装有CCD的寒冷外壳内温度的升高，压力也会升高。相机中的材料可能会释放出可能卡在传感器上的气体，这对系统的长期健康非常不利。可能性相当低，但后果相当严重。这是相机可能发生的最可怕的五件事之一。

到下午三点左右，相机似乎已经恢复了正常。范宁说这是一个线索。

智利的冬天才刚刚开始，事件发生当晚，室外温度自安装摄像头以来首次降至5摄氏度。他说：“今天天气转暖，似乎已经恢复。所以我们现在有两个数据点。”

也许这个问题与外界温度有关。但这是一个悖论。为什么低温板会随着外部空气的冷却而升温？为什么临界温度在5摄氏度左右，而不是零度？“在那个温度下，没有多少东西会改变状态。”。这令人百思不得其解。

在5月9日下午4点45分的一次计划会议上，范宁提出了一个实验：故意将望远镜圆顶冷却到5摄氏度，看看冷冻板是否也出现同样的故障。研究小组决定等待圆顶外的温度降至内部温度以下，然后稍微打开圆顶，让一些冷空气进入，看看低温板是如何反应的。

下午6:30，室内温度为9.74˚C，室外温度为11.69˚C。团队拿出一包Uno卡，开始了等待。

✦ 四大科学驱动力

鲁宾的设计从一开始就被四类核心科学问题牵着走。

鲁宾的宽而深的天空调查将追踪大约200亿颗恒星和数千颗系外行星。预计它还将发现约200亿个以前未知的星系（已知的星系标记为绿色），为星系如何形成提供新的线索。

图片来源：RUBINOBS/NOIRLAB/SLAC/NSF/DOE/AURA

鲁宾将把已知小行星（新小行星标记为蓝）的数量增加10到100倍。它还可以发现星际物体和外太阳系中巨大的第九颗行星（如果有的话）。

图片来源：RUBINOBS/NOIRLAB/SLAC/NSF/DOE/AURA

鲁宾的暗界绘图还将通过精密的大尺度结构测绘暗物质。

图片来源：RUBINOBS/NOIRLAB/SLAC/NSF/DOE/AURA

快速反应的鲁宾将能够捕捉瞬态，也就是任何在天空中移动和变化的东西。这包括脉冲星（标记为黄色圆圈）、黑洞、超新星和强烈伽马射线爆发的余辉。

图片来源：RUBINOBS/NOIRLAB/SLAC/NSF/DOE/AURA, ADAPTED BY B. PRICE

✦开放数据，闭门挑战

到晚上10点，天文台外的温度还没有下降。气温翻到上升了2度。

范宁打趣道：“我个人觉得现在的天气不尊重我。”然而，第二天早上，他心情很好。低温板保持了凉爽，原来故障是由外面的寒冷引发的。

也许制冷剂回路中的油开始凝结，无法像正常情况下那样有效地冷却低温板。也许一些水意外地被困在一根细管中，冻结成固体，导致堵塞。如果我们能找出冷点在哪里，就可以用更多的隔热材料包裹它，就像家里的水管一样。

机组人员最终在当晚重新打开了相机，到第二天晚上，他们又恢复了正常的观察。范宁告诉我，他们仍在调查这个问题，但他们计划在相机和低温压缩机之间的管道上添加一些隔热材料。

范宁在邮件中写：“我的老天，这真是一个艰难的周末，不过我们取得的进展以及速度让人非常高兴。这就是我喜欢调试新系统的原因。”

在鲁宾为期10年的调查中，科学家们将收获 数千张相同天空斑块的图像。这些叠加的图像将使亮点更亮，黑点更暗，从而使更暗、更远的物体弹出。

图片来源：RUBINOBS/NOIRLAB/SLAC/NSF/DOE/AURA

6 月，鲁宾发布了首批试运行图像。仅 用了10 小时，鲁宾就扫描然后拼接出了 1000 万个星系、识别出 2000 多颗此前未知的小行星。鲁宾最终将把拼凑起来的图像拼凑在一起，每分钟都会添加一个新补丁。未来 10 年里，它将把同一片天区反复叠加成千上万次，亮的更亮、暗的更暗，让极暗弱的远方目标凸显出来。

鲁宾 90% 的时间将用于巡天，少量时间预留给超新星、引力波等。这套调度复杂到无法人工决策，所以一个叫 Scheduler 的软件会自主根据各类告警与权重决。鲁宾也因此被戏称为“一位懂我们关心什么的机器人天文学家”。

鲁宾的数据几乎实时产出、在自己的服务器上处理存储，科学家可以把自己的分析软件带到数据旁边。更棒的是，任何人都能上网玩转鲁宾的数据，学生与业余爱好者也不例外。“真正决定你能做出何种科学成果的，是你的创意、知识与恒心。”Ivezić 说。

但这种开放的研究哲学是在美国科学收缩之际出现的...白宫提出的2026财年预算将从美国国家科学基金会削减50多亿美元，从美国能源部的科学预算削减10多亿美元。截至发稿时，国会似乎准备拒绝该提案，目前还没有通过预算法案。

现在削减资金以阻止望远镜的完工已经太晚了。但科学家们担心未来十年资金的连续性，以及将继续这项工作的年轻科学家的职业生涯会如何发展。

“为什么你不建造一个世界级的、独特的设施，不从中获得科学收益？”泰森说。

特朗普政府还削减了对多样性项目的资助。天文台于2019年特朗普第一届政府期间以鲁宾的名字命名，特朗普本人签署了一项国会法案，宣布鲁宾是美国第一个以女性命名的主要天文台。所以鲁宾项目从一开始就将外联和多样性举措融入了任务中。

但在特朗普第二次就职后不久，鲁宾在天文台网站上的传记就被修改了，目前多样性、公平性和包容性的内容不见了。

与此同时，地面天文学还面临一个全行业的新风险。

SpaceX于2019年就开始开始发射星链了，其他一些公司也在参与其中。迄今为止，作为超级星座项目的一部分，已经发射了9000多颗。一些专家预计，在未来十年，人类将在近地轨道上发射5万到50万颗卫星。当这些卫星穿过鲁宾的视野时，它们会在探测器上留下一条长长的白色条纹，阻挡或以其他方式破坏望远镜的图像。

科学家们正在寻找的解决方案，比如可以区分宇宙物体和卫星条纹的数据处理软件。2022年的一篇论文还提出了一种改变调度器算法的方法，以尽可能避免条纹，尽管这将牺牲仪器约10%的观测时间。这种权衡是否值得，取决于调查会损失多少科学，目前尚不清楚。

✦ 唤醒沉睡的巨龙

在我五月份从山上下来的大约一个小时前，工作人员判定系统健康，决定让望远镜复活。那天早上，现场工作的每个人，大约15人，都匆匆忙忙地上楼到圆顶观看。巨大的白色圆屋仿若教堂，内壁贴满黑色消光波纹板，既吃掉了杂散光，也吸掉了回声。当我们进入时，圆顶正在旋转，感觉就像我们下面的地板在移动。

范宁坐在滚轮椅上，手持笔电向系统下达一串预编排动作：抬头、低仰到高仰的斜向转位、原地回转 180°……鲁宾动起来像一条苏醒的巨龙，流畅、坚定、优雅、敏捷。它仰起头颅，舒展肩背，把面庞转向天空，准备睁眼，看宇宙。

责任编辑：郭皓存

牧夫新媒体编辑部

『天文湿刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

地球的本影

谢谢阅读