每三天“扫描”一遍宇宙：墨子巡天望远镜如何实现“墨经”中的光学梦想？

“日月安属，何所不照？”

2000年前，屈原在《天问》中的诗句反映了他对宇宙奥秘的深刻探求。自古以来，天文就是中国文化的重要组成部分。在公元前14世纪的殷墟文化遗迹中，我们便可看到那时人们对天象的细致观察记录。可以毫不谦虚地说，在欧洲文艺复兴之前，我国就是天文现象最精确的观测者，记录也是保存得最好的。古代农业活动的高度繁荣推动了天文观测仪器和方法的发展，我国古代对天文的观测始终领先于全球。古时候的中国人制定了极其精密的历法来指导农业活动。郭守敬在13世纪编订的历法，已经将一个回归年计算到365.2425天的精度，比欧洲的格里高利历早了300年。

▲郭守敬，元朝时期最著名的水利工程师、天文学家、仪表制造专家

文艺复兴时期和随后的大航海时代，航海和贸易活动大大拓展了欧洲人的活动范围，测绘定位的需求和工业及物理学的发展极大推动了天文学的研究，我国的天文研究自那时起开始逐渐落后。天文学是以观测为根本的学科，其发展基于人们对未知夜空的探索渴望。开普勒的老师第谷可能是最后一个靠肉眼观测记录引导重大天文发现的天文学家。此后，先进的天文学观测设备成为推动天文学发展的重要引擎，每一次重大发现往往都建立在观测能力的跨越式进步之上。

我们的前辈也早早意识到了这一点。在民国时期，建立在南京玄武区紫金山第三峰天堡峰上的紫金山天文台，是中国自己建立的第一个现代天文学研究机构，被誉为“中国现代天文学的摇篮”。随着城市的发展，位于城市内或附近的天文台的观测条件逐渐无法满足天文学观测的要求。20世纪80年代后，天堡峰上的天文台改建为了天文科普基地，而我们寻找优秀观测台址的脚步从未停下。

▲紫金山天文台远眺

自上个世纪以来，我们在宇宙观测和理解方面取得了前所未有的突破。现代天文学的发展需求推动了望远镜性能的极大提升，使其能够观察到更遥远、更暗淡的天体，并提高观测的精准度。为了实现这一目标，科学家们不遗余力，甚至将望远镜发送到外太空，以避开地球大气和人为灯光污染的干扰。哈勃空间望远镜就是在这种条件下极大地拓宽了人类的视野，它所拍摄的瑰丽夜空是无数孩童天文梦想开始的地方。尽管太空为天文观测提供了极佳的环境，但由于成本、体积和重量的限制，地面天文台依然发挥着不可替代的作用。

对于地面天文观测而言，选择合适的台址是至关重要的。关键指标如视宁度、露点、晴夜数及天光背景亮度等都是评估观测站优劣的重要因素。视宁度代表着观测站区域上空大气的稳定程度，被称为大型光学望远镜的生命线。大气不稳定会导致星像模糊，就如同我们站在河岸边透过泛起涟漪的河水观看水下的游鱼。晴夜数决定了天文学家可用的观测时间。天光背景亮度决定了望远镜能够看到的天体的暗弱极限和宇宙空间的最大范围。在过去几十年里，天文学界公认世界上有三大顶级的观测台址：夏威夷的马纳基亚（Mauna Kea），智利的塞罗帕拉纳尔（Cerro Paranal）和西班牙加那利群岛的拉帕尔马岛（La Palma）；在这三大顶级天文观测圣地上，都建设有10米级口径的光学望远镜，极大地丰富了我们对宇宙的了解。

西北高原上的小镇，全球天文学界的焦点

随着中国天文学的快速发展，对优质观测台址和先进天文设备的需求日益增长。华夏土地地大物博，幅员辽阔，是否存在一个各项指标与世界三大天文台比肩的观测台址呢？2021年，中国科学院的邓李才老师等人在青海省海西州茫崖市的冷湖镇旁找到了这样一个台址。他们自2018年起开始在海拔四千多米的赛什腾山上对这里的夜空和空气进行了连续监测，并于2021年在《自然》杂志上发表了他们的研究成果。这些成果表明，赛什腾山台址的观测条件完全不逊色于世界三大顶级观测台址，使这个位于西北青藏高原上的小镇一跃成为全球光学天文学界的焦点。

六十年前，这里曾是中国四大油田之一，每年产油超过二十万吨，近十万名工人和家庭在此安家落户。随着石油资源的逐渐枯竭，曾经繁华的小镇逐步衰落，最终仅剩数百人常住，几近荒废。废弃的建筑和辽阔的戈壁滩成了游客的打卡背景，静静诉说着昔日的辉煌与今日的寂寥。

▲星空下的戈壁滩。（供图：马潇汉）

然而，随着赛什腾山被认定为世界顶级的天文观测地点，这片被遗忘的土地迎来了科学的曙光。赛什腾山旁的小镇冷湖，经历了六十年的沉寂后，如今再次焕发出勃勃生机。目前，山上已经部署了超过35台大大小小的天文望远镜，总投资额达到了20亿人民币。这些望远镜中的一部分已经建设完成并开始投入使用，它们不仅为天文学家提供了研究宇宙的新工具，也为冷湖镇带来了经济活力和希望。这个曾经因石油而繁荣，因资源枯竭而衰退的小镇，现在正逐步转型为一个科学研究和天文观测的重要基地。

▲2020年冬季赛什腾山的雪后夕阳，天文台笼罩在落日余晖中。（供图：邓李才）

截至目前，赛什腾山上最显著的设备莫过于由中国科学技术大学与中国科学院紫金山天文台共建的“墨子”巡天望远镜。官方称其为大视场巡天望远镜（WFST），该望远镜自2023年底启动巡天工作。"墨子"特别设计用于快速巡天观测，配备了2.5米直径的主镜、先进的主动光学系统，以及一个由九块9K*9K规模的CCD拼接成的7.65亿像素相机。它最引人注目的特点是其“宽视场”，每次拍摄能够覆盖6.55平方度的夜空天区。为了让读者直观感受到这个面积的大小，可以尝试一个小实验：将大拇指竖起并伸直手臂，此时你的大拇指指甲盖大约占据了2平方度的视场，而满月的视面积还不足0.2平方度。"墨子"通过在不同光学波段上连续拍摄，能以每三天一次的频率持续扫描北天。

▲赛什腾山上的墨子巡天望远镜远景（视频来源：MREnderman）

墨子巡天，观候明变

我们已经详细探讨了“墨子”巡天望远镜的独特之处，这台望远镜以其快速的巡天观测能力而著称。但快速的巡天观测到底有何科学意义呢？

想象一位鱼类研究人员，如果他只在几个小海湾进行采样，虽然也能收集到一些鱼类标本，但这些结果只能反映局部情况，难以揭示整个海洋中鱼类的分布。类似地，通过对广阔夜空的系统性重复观测，巡天望远镜帮助我们绘制出包含星系、星系团乃至宇宙物质的详尽分布图，建立一张宇宙奥秘的完整拼图。在此过程中，我们还能持续记录天体变化、发现新的天体和天文现象，探测以前未知的小行星等，为理解恒星、超新星等天体的动态过程提供关键数据。

▲墨子巡天望远镜圆顶上开有天窗，遥远的星光就是从这个天窗照射到厚达12厘米的主镜上，主镜上会镀一层银色的铝反射膜。（视频来源：MREnderman）

这种观测不仅有助于捕捉如致密天体并合的电磁对应体等罕见宇宙事件，还极大地推动了图像处理和数据分析技术的发展。巡天观测的长期性和系统性，就像是在丛林中设置的摄像机，不断地监视野生动物的活动，为我们带来了海量的数据，引导了数据处理方法的重大变革，极大地丰富了我们对宇宙的认识。

针对“墨子”巡天望远镜的强项，项目团队已制定了一套独特的巡天观测策略。在接下来的六年里，它将执行两个主要的巡天项目，覆盖广阔的天空区域并高效地收集数据。宽视场巡天（WFS）计划将覆盖约8000平方度的北天区域，在四个不同的光学波段进行观测。这个项目在空间尺度上显示出系统性，每个观测子区域在六年内将被拍摄约90次，每次曝光时间为30秒，确保收集充足的数据来记录天体的变化，如近地天体的运动或河外天体的亮度变化。

此外，深度高频u波段巡天（DHS）计划将执行一个更为高时间频次的巡天模式，专注于捕捉时间尺度上的变化。每年将对围绕赤道的约720平方度区域进行深入观测，特别关注瞬时和暂现的天体现象，如超新星的早期爆发和其他快速变化的事件。

这两种策略为“墨子”巡天望远镜量身定制，不仅提供了关于宇宙结构的重要数据，还帮助天文学家深入理解天体物理现象的时间变化。更重要的是，“墨子”观测的北天区域与LSST观测的南天球形成互补，使我们能够获得关于整个天空的全面视图，极大地推动了天文学研究的全球协同和数据共享。这种基于时域天文学的巡天观测，是探索宇宙的一个重要前沿方向，预示着天文学研究的新篇章。

▲墨子巡天望远镜拍摄的仙女座星系(M31)首光图片。仙女座星系距离地球约250万光年，直径约20万光年。这张照片是墨子巡天望远镜通过每次30秒共计150次曝光，得到的150张照片叠加合成。（供图：中国科学院）

在2023年八月，就在“墨子”巡天望远镜落成前夕，我有幸亲自前往冷湖镇赛什腾山，亲眼见证了这座巡天重器的壮观。从冷湖镇出发，沿着G215国道向东，一条灰黑的柏油公路穿越无垠的赤色大漠，蜿蜒曲折地引领我们攀登至赛什腾山顶。站在那里，我试图想象，在这条公路建成之前，邓老师和科研团队是如何克服重重困难，到达这片偏远的高地的。同时，我对那些参与修建这条道路的工人和政府所付出的艰苦努力深感敬意。

观赏着夕阳下巨大的白色圆顶和远方地平线上若隐若现的公路，我深刻感受到人类对未知自然的好奇心有多么强烈。现在的赛什腾山上，一个个白色的建筑从坚硬的岩石中拔地而起，其中不仅有光学巡天的50BiN望远镜、专注于恒星震荡研究的SONG望远镜，还有搜寻和研究太阳系小天体的紫金山天文台多应用巡天望远镜阵列、专注于行星大气光谱观测的PAST望远镜，以及国际领先的、用于太阳磁场精确测量的中红外观测系统（AIMS）太阳望远镜。在“墨子”巡天望远镜背后的另一座山峰上，尘土飞扬中，清华大学的6.5米口径宽视场光谱巡天巡天望远镜台址也正在紧张建设中。

▲星空下的冷湖实验室。（供图：马潇汉）

回顾历史，两千五百年前的墨子，作为华夏大地上的科学先驱，通过最早的小孔成像实验，揭示了光的直线传播本性。如今，以他命名的“墨子”巡天望远镜依托众多科学家的不懈努力而矗立于此，不仅是对墨子精神的继承，也预示着这台望远镜将在科学史上留下浓墨重彩的一笔。