两万个机器人在“蜂巢”里辛勤劳作，只为绘制史上最大的宇宙三维地图 | 科学讲坛——黄崧

如果你知道恒星什么时候升起，

什么时候落下；

如果你记住恒星在哪儿升起，

在哪儿落下，

你就永远能找到回家的路。

黄崧· 清华大学天文系副教授

格致论坛第124期 | 2025年10月25日 北京

今天，我给大家讲一个非常简单的小故事。在故事的开头，我想先问大家一下，有多少人看过迪士尼的一部动画电影《海洋奇缘》（Moana）？

以恒星为指引

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过去的几年中，《海洋奇缘》是我最喜欢的迪士尼电影。在这部电影里，有一位生活在太平洋小岛上的姑娘Moana，在祖先的召唤下与半神毛伊结识，踏上了一场共同拯救海洋家园的旅程。

这个故事略显俗套，但却非常感人。其实最吸引我的，是它的天文元素。我不知道有多少人关注到了这一点：电影里，Moana在海上航行的时候，她做了这样的一个动作——伸出手，她的大拇指指向海平面，手掌与大拇指呈90度，缓慢地旋转手掌，最终食指的指尖与三颗星平行

这三颗星实际上是猎户座，电影里的这一幕不是随机出现的，Moana做的这个动作在科学和历史上都是完全正确的。

实际上，像Moana这样的太平洋先民们，曾经利用恒星作为导航，征服了整个太平洋。他们就是驾着这样看似非常简单的双体帆船，从大概公元前2000年，中国的东南沿海出发，经过现在中国的台湾省，沿着菲律宾、印度尼西亚、几内亚一路追风逐浪，踏岛前行。

他们以恒星作为指引，在接近一千年的时间里，征服了太平洋，建立起了波里尼西亚、美拉尼西亚、密克罗尼西亚三大文化圈，北至夏威夷岛，东至复活节岛，南至新西兰岛的最南端。可以说，他们把整个太平洋都囊括在了自己文化的范围之内。

于我而言，这是人类历史上一场最伟大的远航。在这些太平洋岛民先人的眼中，天上没有一颗亮星不是自己的朋友，手上没有一个关节不是导航的工具。

到今天，这种导航技术（Wayfinding）虽然已经接近失传，但在仅存的一位航海大师和几位有心人的帮助下，我们还能够还原出这个非常伟大的夏威夷恒星罗盘。

就像我刚才说的，夏威夷先民们是用所有天上的亮星来为自己指引，在大海当中找到回家的路。其中，一位非常有意思的航海家，叫Nainoa Thompson。他是夏威夷国王卡美哈梅哈的后裔，同时又带有英国人的血统，但是他后来投身到了帮助波利尼西亚人发展航海技术的事业中。他所做的双体帆船，仅凭夏威夷传统的航行导航技术，就从夏威夷岛航行到了塔希提岛，证明了当年海上通路的存在。

他曾经说过这样一句非常简单的话，让我记忆非常深刻：如果你知道恒星什么时候升起，什么时候落下；如果你记住恒星在哪儿升起，在哪儿落下，你就永远能找到回家的路。

虽然是很朴实的一句话，但是非常好地道出了人类和天文、恒星最早期的一种直接的、亲密的关系。

当然，我们中国人对这样的故事也绝不陌生。明朝永乐年间，著名的航海家郑和就是靠着类似图里几块简单的、大小规定的木板和丰富的天文学知识，来丈量恒星距离海平面的高度。历经千辛万苦，七下西洋，他在距中国十万余里的印度古里古国留下了“民物咸若，熙皞同风”的感慨。

▲Credit: 司天灵台

在郑和到达古里后的500多年，中国的一位天文学家——北京天文台的台长李启斌先生在《今晚报》上发出感慨，写了一篇文章《假如郑和知道地球是圆的》。换句话说，在这篇文章里，李老师想要表达的是，虽然当时明朝的航海技术非常发达，但其实还是缺乏对地球或者说对世界观的清晰认识，才遗憾没能先于西方发起人类历史上又一次最伟大的远航。

可能还有些遗憾的是，人类在地球上探索的过程已经接近尾声，但人类探索自身内心以及外面广阔世界的脚步，永远都不会停下。著名的天文学家、科普作家Carl Sagan在他的名著《Pale Blue Dot》里曾经这样说过：通向荒野的道路，就像儿时熟悉的童谣。虽然几乎都被遗忘，但它还是时时会出现在脑海，提醒我们踏上远方的路。

绘制宇宙三维地图

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今天，人类已经踏出了地球的怀抱，我们也开始拥抱着航天时代的到来。但是在这样的环境下，人类是否需要建立一个更加完整和真实详细的宇宙观，拥有一张宇宙中的地图指引我们呢？

很遗憾的是，探索宇宙的道路可能比探索地球还要艰难。我们无法指着天上某一个地方说：看，宇宙就是在这里起源的。人类认识宇宙的过程非常艰辛，直到400多年前，一位叫尼古拉斯·哥白尼的波兰人才告诉我们：其实地球不是宇宙的中心，地球是围绕着太阳运动的。

400多年后，20世纪初期一位来自美国密苏里州的年轻人，养了一只叫做尼古拉斯·哥白尼的黑猫。这位叫埃德温·哈勃的年轻人，从威尔逊山上传来一个惊人的消息：原来宇宙居然是在膨胀的。

我们看到了像银河系一样的星系，在不停地远离我们。由于光速是有限的，埃德温·哈勃发现星系离我们越远，逃逸的速度也就越快。

这件事情指向了一个令人非常不安的事实 ， 那就是 —— 宇宙也许是有起点的 。 1965年 ， 美国贝尔实验室两位青年科学家 ， 从一个长相非常奇异的天线当中 ， 意外地听到了宇宙创生时的回响 。 在今天 ，这个被我们称作“宇宙微波背景辐射”的，宇宙年龄只有38万年时候留下的远古创生时期的“火墙”，切切实实地证明宇宙曾经是有一个无比致密、炙热的起点。

这道“火墙”证实了宇宙的创生，但也阻挡着天文学家认清宇宙最开始创生时候的面貌。好在宇宙并不是完全残忍的，在余晖散尽之后的黑暗当中，最终是有星光诞生出来。在引力的洪流当中，这些星光不断地汇聚、碰撞，最终形成了一个一个的星系。

在今天 ， 如果你把一架望远镜对上全天的任意一个角落 ， 只要你有足够的耐心去收集那里的光子 ， 你都能看到像这张图中这样一副非常繁忙的景象 。

▲Credit: Damien P.George

我在上课的时候，有时候管它叫“宇宙的清明上河图”。在这张图里有或大或小、颜色各异、形态各异的星系，其中的绝大多数都是宇宙深处的宇宙岛，像银河系一样由无数恒星，以及更加神秘的暗物质所组成的星系。

人类在刚刚认识到宇宙中充满这么多星系的时候，就已经开始去设想一个问题：我们有没有可能去绘制一张宇宙的三维地图，来认清银河系处在一个什么样的位置？

1988年，美国的天文学家主导了一个叫做CFA巡天的项目，利用当时世界上最先进的望远镜，测量了1000多个河外星系退行的速度。这个量在天文学上被我们称作“红移”，然后绘制出了这样一张看似非常简单的草图。

在这张草图里面，有一个中心，如果大家仔细看，有一个被戏称为“火柴人”的小人结构，在当时还让天文学工作出了一次圈，成为美国流行文化的短暂传播现象。

今天，我们知道这个“火柴人”的中心，其实是距离我们数百万、上千万光年的一个非常大质量的星系团。这意味着在我们的银河系周围，有很多星系并不是以均匀和随机分布的方式聚集着，这其中蕴藏着关于宇宙的许多深刻道理。

在此之后，天文学家尝试绘制宇宙三维地图的脚步再也没有停下。2000年初，美国新墨西哥州戈壁滩深处一架2.5米口径、被称作“斯隆数字巡天”的望远镜睁开了“眼睛”。在此之后的十几年的时间里，斯隆数字巡天在北天兢兢业业地为我们绘制了当时世界上最详细的三维地图。

在这张地图上，看似很夸张的“火柴人”已经消失不见，取而代之的是一张让人非常着迷的宇宙网络。我们可以看清，在更远的距离上宇宙的这些星系、暗物质原来存在着如此复杂的细节。看似黑暗深邃的宇宙当中，其实阡陌交错、鸡犬相闻，有各种各样的结构令人着迷。

这不仅令公众着迷，也让天文学家深深地着迷，2010年之后，美国的另一组天文学家决定要把这件事情做得更大。在美国亚利桑那州基特峰天文台顶端，一架4米望远镜（暗能量巡天）装备了由5000个小机器人武装起来的光纤定位系统，利用这样一个至今仍是世界上正在运行的、最先进的宇宙学光谱巡天项目，天文学家绘制了近千万个星系组成的宇宙三维地图。

▲暗能量光谱巡天项目：2024年绘制近千万个星系

▲美国暗能量光谱巡天项目获得的目前人类最详细的宇宙大尺度结构三维地图

我们精确地测量了这些一直到宇宙年龄只有今天一半时期的星系退行的速度，并且推断它们的距离。我们从中得出了可以说最精密的、很多宇宙学基础物理参数的测量。

然而，人类绘制宇宙三维地图这样一件看似不可能但非常宏大的目标，在过去的差不多不到40年的时间里，也已经被大大地推进。今天，我们依然需要谦虚地认识到，人类所能涉足的宇宙也仅仅是当年这道巨大“火墙”的一块砖头。我们还有非常深邃的宇宙，完全没有被探索。

我们把目光收回到刚才给大家展示的这张“宇宙的清明上河图”上。在图上，用圆圈标出来的这些天体，是我们目前有它的光谱观测，并且知道这些遥远星系退行的速度以及组成的适中的宇宙三维地图是什么样子。

即便不需要天文学训练就可以看出,在这些圆圈的背后和旁边依然有无数个暗淡的、各种颜色的光点在向我们招手，这些就是宇宙当中更深远地方的星系。我们天文学、宇宙学都需要知道更详细的星系，到更深的宇宙当中去理解它们的三维分布。

MUST：引领世界新标杆

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这也是为什么几年之前，包括我在内的清华大学和中国的一批天文学家，决心要引领世界光谱巡天的新标杆，来尝试做一件比较大的事情。

我们所从事的这个项目有个很好听的名字，叫做MUST。这个名字来自清华大学天文系的前系主任毛淑德老师，我们也希望这个简短的缩写能够体现出，我们这群天文学家的勇气和真意。

这架望远镜，目前正在中国被建造当中。简单介绍一下，它在世界上也许不是最大的，但它拥有一面6.5米直径的单镜面反射镜作为它的光学系统的核心。

▲Credit: 清华大学天文系/MUST团队

这个镜面也是我们中国制造的目前最大的单独镜面。在整个和它主镜反射面相对的地方，还有一面2.5米直径的副镜。这是一面凸面镜，如果对中国天文学有些了解的人可能知道，目前在我们中国最大的通用型望远镜口径就是2.4米左右，而MUST望远镜仅仅一个副镜就这么大。

这两个镜面相向而对，组成了整个MUST的主要光学系统。然而这还远远不够——在主镜的中心，我们还专门设计了一个，由5片超级大的透镜组成的宽视场改正镜。其中最大的一片透镜直径达到了1.6米。

大家可能很难想象，如果你看一眼戴的眼镜或者手机的镜头，这些都是透镜，而我们要用的透镜达到了1.6米。之所以要这样做，是因为我们必须保证MUST这架望远镜的口径必须能在接近6平方度，超过满月大小的视场里面，获得非常高的成像质量。

我们还在这个望远镜最终光线汇聚的焦面处，用像搭积木一样的方式（我们称之为“模块化”），汇聚了2万个小小的光纤定位机器人，为它配置了40套放到国际上依然是先进的三通道多目标光谱仪，让它去拍摄宇宙深处遥远星系的光谱，并从光谱当中去推断它们退行的速度和离开的距离，由此来绘制人类历史上最宏大的宇宙三维地图，帮助我们回答宇宙当中的一些重要基础问题。

前面展示的美国暗能量巡天得出的宇宙三维地图，与现在的图像相比，我们可以看到——这个在今天被宇宙学家称为第五阶段Stage 5的宏大设想，比现有的人类认知拓展了广大的范围。我们所能测量的星系，一直延伸到宇宙年龄只有今天的1/3左右的时间。

为什么要这么做呢？我想引用杨振宁先生的一句话，他在之前的一篇物理学的评论文章当中，非常犀利地指出——我们21世纪的物理学，也许必须重新找到一些重要的基础问题，来恢复理论物理学所具有的诗意和哲学的品质。

而杨先生恰恰认为，天体物理学和宇宙学就是这样的领域。因为在我们的领域里面，还有许多像暗物质、暗能量、宇宙爆胀的理论，直至今天也被天文学家反复传颂，但其实我们依然知之甚少。这些理论，必须在21世纪被真正崭新的物理学概念所取代。

在清华大学天文系赵成教授团队的领导下，我们MUST项目在去年（2024年）已经发布了大尺度结构宇宙学巡天的科学白皮书。这是一张白皮书里提纲挈领的图。这张图可能对大家来说，看上去比较艰深。在它的左面，实际上是用一个叫做宇宙物质功率谱的形式，极端概括地展示了宇宙学的究极目标。

换句话说，我们想要了解的是宇宙当中一切万物的时空分布规律。如果能用一定的统计手段，把这个规律变换成一条曲线，它就长这个样子——在曲线的不同端，代表了宇宙尺度从小到大的变化。在这条曲线上面，观测和理论之间哪怕1%的差别，都有可能意味着基础物理的某些理论具有颠覆性的变化。

这张图展示了不同的时空尺度上，我们的MUST望远镜将用不同的宇宙学探针，为宇宙深处不同距离、不同性质的遥远天体示踪宇宙物质演化，探寻不同尺度上的物质分布规律，并最终帮助我们尝试去回答：暗物质到底是什么？暗能量从哪里来？宇宙在极早期所经历的骇人听闻的爆胀，到底是怎么一回事？

我们甚至在项目还没有开始的情况下，把未来已经规划好了：大概在2030年左右，青海冷湖的赛什腾山，在海拔4000多米的山头上，我们的6.5米望远镜将花接近十年的时间，在每个月月色最佳暗淡的那几天里面，凝望着冷湖。在这个号称是中国最暗、最美丽的星空中，攫取宇宙深处星系的奥秘。

在接近十年的时间里，我们计划将为人类带来超过一亿个遥远星系的光谱测量。其中大概有4000多万个，位于被我们天文学家称为红移2到红移5，也就是高红移的宇宙。这是人类历史上第一次有宇宙学光谱巡天望远镜能够做这样的事情。

我们的望远镜在这十年的时间里，将凝视整个北天，为人类绘制最大的三维宇宙地图。要想实现这一点，我们今天必须加倍地努力，从工程和科学的视角来建设好这架望远镜。

天文望远镜是大型精密科学装置，虽然6.5米的主镜听上去很大，我们同时还要求这个主镜镜面的面型极其精确。主镜的控制非常稳定，实现这一点代表了中国今天光机加工的最高水平。

也正是因为这样，我们几乎调动了中国和中国科学院系统里面所有能干的单位：我们望远镜的主镜将由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所来制造；副镜在南京一家企业的帮助下，在我们的基地进行加工，并且最终由长光所帮助装配在望远镜上；这个无比复杂的改正镜组，由中国科学院南京天文光学技术研究所负责完成。最终承载的科学的焦面和光谱仪系统，将由我们清华大学的团队来完成。整个望远镜的机架将在四川制造，由中国科学院光电技术研究所来完成。

我们还意识到，整个望远镜需要一个非常华丽并且精密的“衣服”——就是它的圆顶。这个圆顶实际上是一个非常高科技的建筑物，最终我们是联系到了世界上圆顶设计最有经验的、意大利的一家EIE公司，由我们共同设计。

换句话说，这是一架调动了中国乃至世界上，最会做地面望远镜的一批人来共同设计的大型基础科研装置。

我们非常感谢过去的几年里，从清华大学到国家，以及中国一些地方政府对我们的慷慨支持。要想组装和测试这样一架，仅仅是主镜直径就达到6.5米的望远镜，在北京几乎找不到合适的场地。于是，江阴市政府慷慨解囊，为我们在大运河边建设了这样一座非常壮观的厂房，高度达到28米，顶棚可以打开，让我们把望远镜完整地在这里组装、测试好，最终再拆解运到冷湖山上重新组装。

这个厂房目前已经投入使用了，大家如果有机会到无锡或者江阴去玩，可以到运河边去看看，是个非常独特的建筑。

我们整个望远镜的主镜、副镜、改正镜的加工都已经开始了，在画面的左边是我们项目的负责人——清华大学天文系的蔡峥老师，站在巨大的透镜镜坯旁边。这个如此巨大的东西，最终会变成像你手机上的、小小的透镜一样的东西。它会变成一片透镜，装在这个巨大的望远镜上。

2.4米的副镜镜坯，正在江阴的厂房里进行轻量化的加工。一块几吨重的玻璃，最终70%的材料都将被去除，以保证这面镜子吊装在望远镜上的时候，不仅能够减轻望远镜的负担，还能用极其精确的方式来控制它的面型和运动。

当然，我们清华大学也不闲着。毕竟我们是一所以工科见长的学校，即便像我们天文学这样的基础学科，目前在清华大学天文系也组建了自己的实验室队伍，做着一些非常好玩的事情。如果将来大家有机会到清华大学参观，非常欢迎联系我们，我们愿意带大家到这里来看一看。

在整个焦面最核心的地方，我想给大家介绍最体现望远镜特点的一个东西。在望远镜光线汇聚的地方，我们不会看到简单的一台相机，或者说是一个简单的设备。大家会看到的是像这样密密麻麻的很多孔洞，由三角形的模块组装而成。

在每个像蜂巢一样的孔洞当中，都住着一个直径只有6.2毫米的机器人。这个小小的机器人，只有2个运动部件，叫做“双回转”。它就像人的胳膊一样，会抓着一根细细的、直径只有140微米的光纤，在一定的范围内运动.

在十年的时间里，这个小小的机器人，就像是在这个蜂巢里辛勤劳作的小蜜蜂一样，持续不断地带着光纤，把它非常精确地运动到天文学家想要观测的暗淡天体的位置上，并且把遥远的星光给收集起来。

这个项目目前是由MUST望远镜的国际合作单位——瑞士洛桑联邦理工大学与我们一起研发的。这个机器人，也是我每天失眠的一个原因。因为当把它装在这样的一个看上去有些其貌不扬的焦面系统里的时候，它必须以一种极其精确的形式被安装和控制。

我们可以非常骄傲地说，这是人类历史上或者天文学史上，第一次有人想尝试这种规模的、多目标的、复杂的光纤焦面系统。换句话说，我们清华做的这个也是不大不小的世界第一。

在过去的几年里，我们清华大学的工程师绞尽了脑汁，开发了各种各样的才智，为焦面设计出一个非常好玩的构型。我给一同合作的瑞士、法国的天文学家解释说：你们喜欢滑雪，而我们MUST的焦面，就是用来收集光子的复杂科学终端，它就像一直架着一个滑雪板一样，每天都在滑雪。

这个滑雪板的作用，其实是为了让从焦面上传导下来的、脆弱的光纤，以尽量短的距离，同时以不被望远镜的运动所干扰、不会产生缠绕挤压的方式，输送到位于我们望远镜下层的光谱仪室。只有做成这个样子，整个从焦面到光谱仪的距离才能短10米。而短10米，意味着我们在整个望远镜的技术体系里面，就能够更多地收集6%的关键光子，来尽快地实现我们的科学目标。

目前，为了达成这件事情，我们的团队在清华大学做了一些非常好玩的事情。我们在用各种各样的手段，尝试去精密地加工、测量、检验这个六边形的部分焦面板（我们戏称为“披萨”）。

我们瑞士的同行也在夜以继日地，进行着小小机器人的测试工作。如果一切顺利的话，到2030年左右，大家应该就能在青海海西蒙古族藏族自治州冷湖镇赛什腾山海拔4320米的A点上，看到一个非常壮观的圆顶耸立在那里——这就是我们的MUST望远镜。

MUST：引领世界新标杆

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在今天，我们清华大学已经完成了一架65厘米1:10的小型原型机。大家如果去青海旅游，非常欢迎到那里去看一看。看一看青海美丽的星空，也看一看我们的望远镜。我希望大家在看到的时候能够知道，在未来的某一天，人类历史上最伟大的、最宏大的宇宙三维地图，将在这里进行绘制。

疫情结束之后，欧洲天文学年会在波兰克拉科夫召开。半夜时，我特意到当年哥白尼所上学的克拉科夫学院，也就是今天的雅盖隆大学。在雅盖隆大学的外面，有这样一座雕像静静矗立：哥白尼俯视着众生，在下面的雕塑上刻着他一生的功绩，以及罗马诗人卢克莱修的哲学长诗《物性论》当中的一句话：他已经在思想和意识上超越了世界的“火墙”，达到了无边无界。

在看到这座雕像的时候，我脑子里首先想到的是在科学哲学课上，学到过的一句话。托马斯·库恩的《哥白尼革命》里曾经说过：人类若不发明一个宇宙论，是不会长久生存的。宇宙论渗透在人类的每一种实践和精神的活动当中，并赋予它们意义。

也许郑和不知道地球是圆的，所以我们中国人没有办法完成世界第一个环球的航海旅行。但我们希望，在未来探索宇宙和人类精神世界的旅程当中，有我们中国天文学家所绘制的宇宙三维地图能够帮助我们、帮助全世界建立起一个更崭新的宇宙论。

谢谢大家！

本文转载自《格致论道讲坛》微信公众号

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