科学重器 | 我国正建设口径达6.5米的“宽视场巡天望远镜”，它有哪些宏大的科学目标？

大家好，我是清华大学天文系副教授黄崧，也是“宽视场巡天望远镜”项目的联合项目科学家。非常高兴能够参与这个“中国科学重器"的宣传策划。

我们的“宽视场巡天望远镜”，MUltiplexed Survey Telescope，或者“宽视场光谱巡天望远镜”是清华大学领导的一个国际科学合作和大型科学基础设施，旨在于2030年左右建成一架主镜口径6.5米、视场超过6平方度、最终能同时观测超过2万个天体光谱信息的地表最强光谱巡天设施，也是妥妥的科学重器。

“宽视场巡天望远镜”有个响亮的英语缩写，MUST，英语里“必须”的意思，来自清华大学天文系前系主任毛淑德教授。我们希望这个简称也体现了我们的勇气和真意。

MUST将在国际上首先开展第五阶段宇宙学光谱巡天，绘制人类历史上最宏伟的三维宇宙地图，并尝试回答诸如暗物质到底是什么？暗能量从何而来？宇宙暴涨是什么样的物理过程？这样的重大基础问题。

千万别看不起6.5米口径

如果你好奇为何在“30米级地基光学望远镜”即将出现的年代，我们还要斥巨资、投入相当的人力物力建设一台口径“只有”6.5米的望远镜？可以这么说，即便在30米级地基望远镜“横行”的年代里，也有我们MUST的用武之地。

首先，MUST凭借大视场多目标观测能力上的优势，依然可以在光谱巡天这个赛道上，成为独树一帜的顶尖设备，打响第五阶段宇宙学的第一枪，把对宇宙大尺度结构的研究延伸到宇宙早期，去揭示宇宙原初时期的诸多基础物理问题。

其次，MUST还能围绕这些重要问题组织并领导国际科学合作、为国内乃至国际天文学界培养下一代宇宙学人才、成为未来更宏大观测宇宙学项目的“探路者”而积累技术经验、也能为中国自己未来地面或者空间的观天巨镜奠定基础。

MUST望远镜的结构和组成

MUST望远镜的光学核心包括两面双曲面的反射镜和一个被称为宽视场改正镜的复杂光学“镜头”。其中6.5米口径的凹面主镜和2.4米直径的凸面副镜均为国内最大。而宽视场改正镜中最大的透镜更是接近了世界罕有的1.6米直径。在精心设计下，这个复杂的光学系统将能在超过6个平方度的大视场内确保优异的光学成像质量。

另外，在MUST的焦面上，超过2万个直径仅为6.2毫米的光纤定位机器人仿佛勤劳的蜜蜂，将在建成后的10年里，孜孜不倦地在他们居住的300多个三角形“蜂房”光纤定位模块中拖着一根根直径仅有140微米的特种光纤，以极其精确的方式把来自宇宙深处一个个遥远星系的光子接收、引导、安置到超过40台多通道光谱仪中，转化为三维宇宙地图的一块块数据线索。

MUST是具备技术牵引能力的大型光学设备

在技术上，MUST是一架在望远镜、或者说大型光机加工技术上存在很大挑战、需要技术创新、具备牵引能力的大光学设备。

MUST 6.5米的主镜不仅是国内第一次挑战同级别大光学镜面的加工，更是在国际上第一次在这个级别的地面望远镜上使用碳化硅作为镜面材料，将为未来碳化硅材料在天文和态势感知领域的更广泛应用提供重要经验。

在整个望远镜的其他方方面面，MUST也都体现了目前国内大型光机平台相关技术的最高水平：2.4米凸双曲面副镜的轻量化加工和检测、1米以上大尺寸透镜的加工和镀膜、多透镜宽视场改正镜的加工和组装、使用拼接直驱电机的大规模地平式转台等等，这些都是需要国内最优秀的光机力量认真发力才能实现的高目标，能够发挥技术拉动作用。

2.4米凸双曲面副镜与主镜的情况类似，这些技术的发展和提升不仅可以为我国未来天文设备作为技术储备，也能在若干与经济民生或者国防安全相关的领域里找到应用。

在科学终端设备上，MUST与瑞士洛桑联邦理工大学联合开发的、可装配超过20,000根直径只有6.2mm的双电机驱动光纤定位器的模块化焦面是为第五阶段光谱巡天量身定做的下一代科学终端的一部分。

在先进性上，这个直径只有1.2米的焦面系统汇聚了诸多对MUST科学目标极其重要的技术挑战，在很大程度上对得起“世界第一”这几个字，不仅对中国、对世界天文学若干未来的项目都有先导和启示价值。

更重要的是，得益于MUST巡天望远镜的平台属性和模块化设计，在MUST开始第一期观测开始后，依然有很多需要补充、国产替代、升级换代的技术需求，对许多相关的产业门类有“保质又保量”的要求，能够对围绕着天文观测设施的“产业链”建设提供积极的促进作用。

在完整设计观测能力下，MUST需要用到4万个4mm尺寸的陶瓷马达、1,200公里左右的宽波段低吸收多模科学光纤、数百片直径最大可到30cm、性能要求和光刻机一样的光学透镜、80多组高性能体相位全息透射光栅或熔石英蚀刻光栅、120多组小型高可靠性脉管或斯特林制冷机、120多片大像元大靶面低噪声科学级探测器，等等。在合适的机遇下，MUST都可以成为某些有志于此企业帮助我们实现国产替代、破除“卡脖子”的重要契机。

MUST的核心使命

在科学上，定义下一代大尺度结构宇宙学的前沿是MUST的最核心诉求。作为星系红移巡天，MUST所绘制的三维大尺度结构物质分布地图是未来第五阶段宇宙学的重要科学基础，能够对暗能量、暗物质、中微子、原初物理（涵盖了如暴涨宇宙学、轻残骸粒子等诸多现有物理学框架之外的迷人概念）等重要、前沿、基础性科学话题做出贡献。

MUST想要回答的核心科学问题已经延伸到了高能物理、粒子物理的边界，极大地拓展了MUST作为“大型基础科学设施”的科学外延。MUST从望远镜本体、到仪器、甚至到一根光纤、一片透镜上怎么选，都是围绕着这个核心科学议题打造的。

在2030年代，我们希望奋力实现的是：在大尺度结构宇宙学，尤其是高红移大尺度结构这个“赛道”上，MUST能够成为一架独树一帜的领先设备，赋予她在30米级望远镜时代依然能够成为某个领域“旗舰”的潜力。

在核心科学驱动之外，MUST具备兼顾在银河系结构（通过海量银河系边界区域恒星的视向速度确认）、星系与暗物质晕物理关联（通过星系小尺度成团星测量以及与其他探针的结合）、星系与活动星系核物理（海量中低红移星系、活动星系核、类星体光谱数据的挖掘和统计研究）、乃至时域天体物理（除了偶然发现与后随观测外，还可以开展大量超新星、TDE宿主星系的统计研究；开展AGN等天体的光谱时域观测）方向上做出重要的成果。

MUST强化多目标观测能力和光谱观测效率的策略可以使其成为在提供光谱数据资源上最强大的设备之一。

如果我们从过去的光谱巡天、或者说巡天类型的观测中学到点儿什么的话，那就是：只要积累够了，惊喜总会到了。从统计学意义上，“未知的未知”虽然无法被计划，但其概率也是可以被优化的。

在目标选择与科学协同增效上，MUST与中国空间站巡天望远镜（CSST）、阿里原初引力波探测计划（AliCPT）、中国天眼（FAST）、以及其他多个建设中和设计中的地面与天文观测设备存在良好的合作基础。

除了MUST定期巡天数据的释放之外，望远镜还计划面向国内天文社区广泛征集灵活光纤目标，进一步提升MUST光纤利用效率的同时，也能像“通用”望远镜那样，支持小批量、更多样、灵活科学目标的观测。

在国际上，MUST填补了国际天文界在2030-2040年代亟需的多目标光谱观测能力上的空白。MUST在项目的孕育阶段就确立了以国际天文界对地面高效多目标光谱观测能力的迫切需求作为抓手的底层逻辑。

弥补光谱后随、红移、精细观测能力的重大缺口

从十几年前对南天光谱巡天望远镜的畅想开始，国际天文界多个领域的学者就共同指出：在欧几里得望远镜-鲁宾天文台-罗曼望远镜时代，人类在光谱后随、红移、精细观测能力这些方面还存在重大缺口。

图：欧几里得望远镜，其主要使命是探索宇宙中最神秘的两种成分——暗物质和暗能量。

图：鲁宾天文台。其核心使命是以前所未有的精度和广度绘制宇宙地图，重点探索暗物质、暗能量等宇宙奥秘。

图：罗曼空间望远镜。它肩负着探索暗能量、暗物质以及搜寻系外行星等重大科学使命，以其超宽的视野被誉为哈勃空间望远镜的强大继任者。

为了弥补这个缺口，国际天文界都已经有了相应的规划。从美国天文界Astro2020十年规划、到欧洲ASTRONET科学远景与基础设施路线图、到欧洲南方天文台2020科学规划优先级社区普查结果、到澳大利亚2016-2025天文学十年规划、再到加拿大2020-2030天文学长期计划等等都能看得出来。

MUST的建成将标志着我国成为继美国、德国-法国后又一个具备了6米以上大光学镜面生产的国家。这样的镜面在地面和空间天文未来的发展、以及空间域态势感知的应用上都有着很重要的潜力。

MUST作为应运而生的专用光谱巡天设施，将成为2030-2040年代新一轮“光谱大发现”的重要设施基础，并有望扮演关键角色，提升整个国际天文学社区光谱观测的能力。

自从郭守敬望远镜（LAMOST）开始，中国天文界在光谱巡天上有着良好的基础和传统。MUST将进一步将这个优势发扬光大，并将和Vera Rubin天文台之于美国天文界一样，在光谱观测能力上造福整个中国天文界。

本文转载自《腾讯太空》微信公众号

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