中國(guó)“慧眼”仰望星空

人類(lèi)對(duì)于星空的敬畏和好奇源于天性，深邃的宇宙就如同有著魔力一般?；仡櫩茖W(xué)發(fā)展的歷史，人類(lèi)對(duì)于星空的著迷似乎從來(lái)不分民族、地域或時(shí)間。即使是視力優(yōu)秀的人在夜晚最多也只能看到幾千顆星，這個(gè)數(shù)量和宇宙的龐大相比不值一提。例如，據(jù)天文學(xué)家估算，僅在銀河系中就有超過(guò)1000億顆恒星。

想要看到更暗的恒星和更深邃的宇宙，需要借助天文望遠(yuǎn)鏡的力量。1608年，荷蘭眼鏡制造商漢斯·利普西向政府提交了一項(xiàng)折射望遠(yuǎn)鏡的專(zhuān)利，這是現(xiàn)存最早的望遠(yuǎn)鏡發(fā)明記錄。這項(xiàng)發(fā)明當(dāng)時(shí)可以說(shuō)風(fēng)靡歐洲，很快就傳到了意大利物理學(xué)家伽利略耳中，之后他在一個(gè)月內(nèi)便造出了自己的望遠(yuǎn)鏡，并將它指向了天空。從此，人類(lèi)便拉開(kāi)了利用望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀察和理解宇宙的帷幕。

專(zhuān)家名片

閆宏亮

中國(guó)科學(xué)院大學(xué)天體物理博士，中國(guó)科學(xué)院天文大科學(xué)研究中心LAMOST優(yōu)秀骨干

陳穎為

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)高級(jí)工程師

現(xiàn)代天文望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)遠(yuǎn)非伽利略時(shí)代的望遠(yuǎn)鏡所能比擬，它們不但更大、精度更高，還涵蓋了幾乎各種電磁波段（例如X射線、光學(xué)、紅外、射電等）。不過(guò)，回顧現(xiàn)代天文望遠(yuǎn)鏡的歷史，不難發(fā)現(xiàn)光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡在一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)占據(jù)著絕對(duì)主導(dǎo)的地位。下面就通過(guò)國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)站的介紹，來(lái)一窺中國(guó)現(xiàn)代光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展歷程。

1.負(fù)責(zé)選址的科學(xué)家們?cè)诨慕家皫X中尋覓了11年

在河北省內(nèi)燕山主峰霧靈山南麓的連營(yíng)寨，10個(gè)現(xiàn)代化的天文圓頂矗立于郁郁蔥蔥的山脊之上。這里就是當(dāng)今亞洲規(guī)模最大的光學(xué)天文觀測(cè)基地——中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)站。如果不是偶爾還能看到頗具年代感設(shè)計(jì)的外賓樓和紅磚圍墻，很難想象這座占地700畝的現(xiàn)代天文觀測(cè)站已經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)的滄桑。

興隆縣隸屬于河北省承德市，它位于北京的東北方向，海拔約900米。生活在城市中的人如果去過(guò)興隆站，就會(huì)被這里優(yōu)美的自然環(huán)境所吸引。

不過(guò)若有幸在這里留宿，夜晚的興隆站才會(huì)真正展現(xiàn)出她最迷人的一面。璀璨的銀河劃開(kāi)整個(gè)夜空，繁星點(diǎn)點(diǎn)令人眼花繚亂。

也許在此之前你從未感受過(guò)星空的壯麗，但在這里只要你抬頭一望，便立刻能領(lǐng)悟“震撼”二字的含義。牛郎和織女仿佛不再如傳說(shuō)般遙遠(yuǎn)，獵戶(hù)的身影再也不撲朔迷離，就連淡藍(lán)色的昴星團(tuán)似乎也近在眼前。這時(shí)你會(huì)深切理解什么叫作“手可摘星辰”。若是時(shí)機(jī)合適，在你仰望星空之時(shí)甚至總能捕捉到一些流星的身影，它們就像夜晚的精靈。

和普通望遠(yuǎn)鏡不同，科研用的天文望遠(yuǎn)鏡更大、更重、精度更高，同時(shí)也很難移動(dòng)。因此，建設(shè)天文望遠(yuǎn)鏡之前，必須考慮一個(gè)重要的問(wèn)題：建在哪兒？

天文學(xué)家們需要前往全國(guó)各地人跡罕至之處（為了避開(kāi)光污染），選擇晴夜數(shù)較多（有更多的時(shí)間可以觀測(cè)）、大氣寧?kù)o度較好（拍攝的圖像質(zhì)量會(huì)更好）的地點(diǎn)作為觀測(cè)站的站址。

在選擇興隆之前，負(fù)責(zé)選址的科學(xué)家們?cè)诨慕家皫X中尋覓了11年，這期間的苦累同經(jīng)常出現(xiàn)的生命危險(xiǎn)比不值一提。為了找到優(yōu)良的天文臺(tái)址，當(dāng)時(shí)動(dòng)用了幾乎所有可能的手段，現(xiàn)在的興隆站站址，是歷經(jīng)千辛萬(wàn)苦才確定的。

2.60厘米望遠(yuǎn)鏡、2.16米望遠(yuǎn)鏡

興隆觀測(cè)站目前共有50厘米以上的天文望遠(yuǎn)鏡9架。這里既有著名的郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST），又有我國(guó)自主研制的第一臺(tái)大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡“216”……每一臺(tái)天文望遠(yuǎn)鏡背后都有精彩的故事，凝結(jié)著中國(guó)天文學(xué)家和工程師們的汗水。更重要的是，它們?cè)诟髯灶I(lǐng)域均作出過(guò)基礎(chǔ)的科學(xué)貢獻(xiàn)，見(jiàn)證了我國(guó)天文學(xué)的發(fā)展。

新中國(guó)成立以來(lái)，我國(guó)的天文學(xué)家一直希望用自己的天文望遠(yuǎn)鏡做天文研究，早在1958年就提出自主建造一架2.16米（85英寸）口徑的望遠(yuǎn)鏡。很快在當(dāng)年就獲準(zhǔn)建造。

2.16米望遠(yuǎn)鏡屬大型、精密的光機(jī)系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)的工業(yè)基礎(chǔ)要想建造這樣的大型望遠(yuǎn)鏡幾乎沒(méi)有可能。為了積累經(jīng)驗(yàn)，老一輩天文學(xué)家提出先建造一架60厘米的小型望遠(yuǎn)鏡做前期試驗(yàn)。我國(guó)老一輩天文學(xué)家用這架望遠(yuǎn)鏡取得了不少成果，其中之一就是尋找超新星。過(guò)去發(fā)現(xiàn)超新星并不容易，找到超新星在世界范圍內(nèi)屬有顯示度的成果，我們的天文學(xué)家創(chuàng)新尋找方法，用60厘米望遠(yuǎn)鏡在很短的時(shí)間里找到了四十多個(gè)超新星。

60厘米望遠(yuǎn)鏡完工之后，我國(guó)在此領(lǐng)域有了一定的積累，這種積累既有工程技術(shù)方面的，也有人才隊(duì)伍方面的。于是，2.16米望遠(yuǎn)鏡的建造便于1974年重新被提上日程，并于1986年開(kāi)始建設(shè)，1989年建成。從望遠(yuǎn)鏡批準(zhǔn)到最后建成，歷時(shí)31年。這是幾代科學(xué)家歷盡艱辛，從零開(kāi)始逐步摸索才取得的成就。

2.16米望遠(yuǎn)鏡建成后，我國(guó)天文學(xué)家除了可以觀測(cè)天體圖像，還新增了一個(gè)選項(xiàng)：光譜觀測(cè)。對(duì)于光譜，很多人可能并不熟悉，但對(duì)于彩虹我們就不陌生了——其實(shí)彩虹就是太陽(yáng)的光譜。

我們都知道，用三棱鏡可以將太陽(yáng)光色散成七色光，這個(gè)七色光也是太陽(yáng)的光譜。天文學(xué)家是用特殊的方法將星光色散成“七色光”，星光的“七色光”就是天體的光譜。當(dāng)然，所謂顏色，其實(shí)是不同波長(zhǎng)的光，天文觀測(cè)上的光譜分辨率往往是遠(yuǎn)高于七個(gè)顏色的，因此天文光譜就是一個(gè)天體在不同波長(zhǎng)處的能量。天體的光譜可以告訴我們很多的信息，例如我們可以知道天體中每種元素的含量、天體沿著我們視線運(yùn)動(dòng)的速度、天體的溫度、重力、旋轉(zhuǎn)速度和磁場(chǎng)，甚至可以知道天體的年齡。

2.16米望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)出了一大批有代表性的成果，特別是超新星光譜的觀測(cè)讓它名聲大振。

最近，2.16米望遠(yuǎn)鏡又有新發(fā)現(xiàn)。這是一個(gè)由國(guó)際天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)所進(jìn)行的合作研究，他們利用全世界各地的望遠(yuǎn)鏡共同觀測(cè)了超新星iPTF14hls。這顆超新星自1954年以來(lái)，已經(jīng)爆炸過(guò)6次，像是擁有不死之身一樣。2.16米望遠(yuǎn)鏡貢獻(xiàn)了其光譜序列中最早的兩條光譜。

2.16米望遠(yuǎn)鏡建成之后，我國(guó)天文學(xué)家通過(guò)它拍攝的光譜做出了很多成果，但它也無(wú)法避免效率不太高的問(wèn)題。于是我國(guó)的天文學(xué)家便開(kāi)始思考能否建造一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于拍攝光譜的望遠(yuǎn)鏡，讓它具備遠(yuǎn)超傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡的光譜獲取能力。最終，這個(gè)愿望得以實(shí)現(xiàn)，它就是郭守敬望遠(yuǎn)鏡。

3.郭守敬望遠(yuǎn)鏡

郭守敬望遠(yuǎn)鏡于1997年立項(xiàng)，2008年建成。它是目前我國(guó)最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，其有效通光口徑達(dá)到4米。

郭守敬望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)完全由我國(guó)的科學(xué)家獨(dú)創(chuàng)，地球上沒(méi)有第二架。王綬琯院士和蘇定強(qiáng)院士主要構(gòu)思出了這架望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)，崔向群院士帶領(lǐng)南京天文儀器光學(xué)研究所與多家科研團(tuán)隊(duì)合作將其變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

郭守敬望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特殊，同時(shí)兼具大口徑和大視場(chǎng)兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，大口徑意味著更多的進(jìn)光量，大視場(chǎng)意味著可觀測(cè)的范圍更廣，可同時(shí)觀測(cè)的目標(biāo)數(shù)量更高。郭守敬望遠(yuǎn)鏡的焦面上安裝了4000根可以自由移動(dòng)的光纖，也就是說(shuō)一次觀測(cè)就能拍攝近4000個(gè)天體的光譜。直到今天郭守敬望遠(yuǎn)鏡還是世界上光譜獲取效率最高的望遠(yuǎn)鏡。

它于2012年開(kāi)始運(yùn)行，至2015年上半年僅兩年半的時(shí)間，它獲取的光譜數(shù)量就已經(jīng)超過(guò)了世界上其他望遠(yuǎn)鏡之前拍攝所有光譜數(shù)量的總和。截止到2018年6月一期觀測(cè)結(jié)束，郭守敬望遠(yuǎn)鏡總共獲取了超過(guò)900萬(wàn)條光譜，而這個(gè)數(shù)字還將會(huì)隨著已經(jīng)開(kāi)始的二期觀測(cè)而繼續(xù)以驚人的速度增加。

利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡龐大的光譜數(shù)量，天文學(xué)家們得以對(duì)銀河系進(jìn)行“星口普查”。例如，天文學(xué)家利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡為銀河系重新畫(huà)像，兩次刷新了銀河系半徑大小，從原來(lái)的5萬(wàn)光年擴(kuò)大到了10萬(wàn)光年，增加了一倍;還有最近郭守敬望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了人類(lèi)已知的鋰含量最高的巨星，它的鋰含量是同類(lèi)恒星的3000倍以上，堪稱(chēng)“宇宙最大充電寶”;再比如：郭守敬望遠(yuǎn)鏡最近發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)余顆來(lái)自宇宙早期的貧金屬星，它們?nèi)缤钪娴摹盎币粯佑涗浟擞钪嬖缙诘难莼畔?郭守敬望遠(yuǎn)鏡找到了一批超高速星，它們的速度快到甚至可以擺脫銀河系的引力。

興隆觀測(cè)站現(xiàn)在每年接待公眾參觀1萬(wàn)余人次。相信隨著我國(guó)公眾科學(xué)素質(zhì)的提高，會(huì)有越來(lái)越多的人會(huì)來(lái)這里仰望星空，探究宇宙的奧秘。