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中国“慧眼”仰望星空

文章来源:光明日报   发布时间:2019-02-21  【字号:     】  

银河星空下的郭守敬望远镜 陈颖为摄/光明图片

兴隆观测站的各式天文望远镜 陈颖为摄/光明图片

2.16米天文望远镜 陈颖为摄/光明图片

  人类对于星空的敬畏和好奇源于天性,深邃的宇宙就如同有着魔力一般。回顾科学发展的历史,人类对于星空的着迷似乎从来不分民族、地域或时间。即使是视力优秀的人在夜晚最多也只能看到几千颗星,这个数量和宇宙的庞大相比不值一提。例如,据天文学家估算,仅在银河系中就有超过1000亿颗恒星。

  想要看到更暗的恒星和更深邃的宇宙,需要借助天文望远镜的力量。1608年,荷兰眼镜制造商汉斯·利普西向政府提交了一项折射望远镜的专利,这是现存最早的望远镜发明记录。这项发明当时可以说风靡欧洲,很快就传到了意大利物理学家伽利略耳中,之后他在一个月内便造出了自己的望远镜,并将它指向了天空。从此,人类便拉开了利用望远镜来观察和理解宇宙的帷幕。

  现代天文望远镜已经远非伽利略时代的望远镜所能比拟,它们不但更大、精度更高,还涵盖了几乎各种电磁波段(例如X射线、光学、红外、射电等)。不过,回顾现代天文望远镜的历史,不难发现光学天文望远镜在一个相当长的时间内占据着绝对主导的地位。下面就通过国家天文台兴隆观测站的介绍,来一窥中国现代光学天文望远镜的发展历程。

  1.为了更好仰望星空,负责选址的科学家们在荒郊野岭中寻觅了11年

  在河北省内燕山主峰雾灵山南麓的连营寨,10个现代化的天文圆顶矗立于郁郁葱葱的山脊之上。这里就是当今亚洲规模最大的光学天文观测基地——银猪在线国家天文台兴隆观测站。如果不是偶尔还能看到颇具年代感设计的外宾楼和红砖围墙,很难想象这座占地700亩的现代天文观测站已经历了半个世纪的沧桑。

  兴隆县隶属于河北省承德市,它位于北京的东北方向,海拔约900米。生活在城市中的人如果去过兴隆站,就会被这里优美的自然环境所吸引。

  不过若有幸在这里留宿,夜晚的兴隆站才会真正展现出她最迷人的一面。璀璨的银河划开整个夜空,繁星点点令人眼花缭乱。

  也许在此之前你从未感受过星空的壮丽,但在这里只要你抬头一望,便立刻能领悟“震撼”二字的含义。牛郎和织女仿佛不再如传说般遥远,猎户的身影再也不扑朔迷离,就连淡蓝色的昴星团似乎也近在眼前。这时你会深切理解什么叫作“手可摘星辰”。若是时机合适,在你仰望星空之时甚至总能捕捉到一些流星的身影,它们就像夜晚的精灵。

  和普通望远镜不同,科研用的天文望远镜更大、更重、精度更高,同时也很难移动。因此,建设天文望远镜之前,必须考虑一个重要的问题:建在哪儿?

  天文学家们需要前往全国各地人迹罕至之处(为了避开光污染),选择晴夜数较多(有更多的时间可以观测)、大气宁静度较好(拍摄的图像质量会更好)的地点作为观测站的站址。

  在选择兴隆之前,负责选址的科学家们在荒郊野岭中寻觅了11年,这期间的苦累同经常出现的生命危险比不值一提。为了找到优良的天文台址,当时动用了几乎所有可能的手段,现在的兴隆站站址,是历经千辛万苦才确定的。

  2.我国光学天文领域的“明星”:60厘米望远镜、2.16米望远镜、郭守敬望远镜……

  兴隆观测站目前共有50厘米以上的天文望远镜9架。这里既有著名的郭守敬望远镜(LAMOST),又有我国自主研制的第一台大型光学望远镜“216”……每一台天文望远镜背后都有精彩的故事,凝结着中国天文学家和工程师们的汗水。更重要的是,它们在各自领域均作出过基础的科学贡献,见证了我国天文学的发展。

  新中国成立以来,我国的天文学家一直希望用自己的天文望远镜做天文研究,早在1958年就提出自主建造一架2.16米(85英寸)口径的望远镜。很快在当年就获准建造。

  2.16米望远镜属大型、精密的光机系统,当时的工业基础要想建造这样的大型望远镜几乎没有可能。为了积累经验,老一辈天文学家提出先建造一架60厘米的小型望远镜做前期试验。我国老一辈天文学家用这架望远镜取得了不少成果,其中之一就是寻找超新星。过去发现超新星并不容易,找到超新星在世界范围内属有显示度的成果,我们的天文学家创新寻找方法,用60厘米望远镜在很短的时间里找到了四十多个超新星。

  60厘米望远镜完工之后,我国在此领域有了一定的积累,这种积累既有工程技术方面的,也有人才队伍方面的。于是,2.16米望远镜的建造便于1974年重新被提上日程,并于1986年开始建设,1989年建成。从望远镜批准到最后建成,历时31年。这是几代科学家历尽艰辛,从零开始逐步摸索才取得的成就。

  2.16米望远镜建成后,我国天文学家除了可以观测天体图像,还新增了一个选项:光谱观测。对于光谱,很多人可能并不熟悉,但对于彩虹我们就不陌生了——其实彩虹就是太阳的光谱。

  我们都知道,用三棱镜可以将太阳光色散成七色光,这个七色光也是太阳的光谱。天文学家是用特殊的方法将星光色散成“七色光”,星光的“七色光”就是天体的光谱。当然,所谓颜色,其实是不同波长的光,天文观测上的光谱分辨率往往是远高于七个颜色的,因此天文光谱就是一个天体在不同波长处的能量。天体的光谱可以告诉我们很多的信息,例如我们可以知道天体中每种元素的含量、天体沿着我们视线运动的速度、天体的温度、重力、旋转速度和磁场,甚至可以知道天体的年龄。

  2.16米望远镜产出了一大批有代表性的成果,特别是超新星光谱的观测让它名声大振。

  最近,2.16米望远镜又有新发现。这是一个由国际天文学家团队所进行的合作研究,他们利用全世界各地的望远镜共同观测了超新星iPTF14hls。这颗超新星自1954年以来,已经爆炸过6次,像是拥有不死之身一样。2.16米望远镜贡献了其光谱序列中最早的两条光谱。

  2.16米望远镜建成之后,我国天文学家通过它拍摄的光谱做出了很多成果,但它也无法避免效率不太高的问题。于是我国的天文学家便开始思考能否建造一个专门用于拍摄光谱的望远镜,让它具备远超传统望远镜的光谱获取能力。最终,这个愿望得以实现,它就是郭守敬望远镜。

  郭守敬望远镜于1997年立项,2008年建成。它是目前我国最大的光学望远镜,其有效通光口径达到4米。

  郭守敬望远镜的结构完全由我国的科学家独创,地球上没有第二架。王绶琯院士和苏定强院士主要构思出了这架望远镜的结构,崔向群院士带领南京天文仪器光学研究所与多家科研团队合作将其变为现实。

  郭守敬望远镜结构设计特殊,同时兼具大口径和大视场两个优点,大口径意味着更多的进光量,大视场意味着可观测的范围更广,可同时观测的目标数量更高。郭守敬望远镜的焦面上安装了4000根可以自由移动的光纤,也就是说一次观测就能拍摄近4000个天体的光谱。直到今天郭守敬望远镜还是世界上光谱获取效率最高的望远镜。

  它于2012年开始运行,至2015年上半年仅两年半的时间,它获取的光谱数量就已经超过了世界上其他望远镜之前拍摄所有光谱数量的总和。截止到2018年6月一期观测结束,郭守敬望远镜总共获取了超过900万条光谱,而这个数字还将会随着已经开始的二期观测而继续以惊人的速度增加。

  利用郭守敬望远镜庞大的光谱数量,天文学家们得以对银河系进行“星口普查”。例如,天文学家利用郭守敬望远镜为银河系重新画像,两次刷新了银河系半径大小,从原来的5万光年扩大到了10万光年,增加了一倍;还有最近郭守敬望远镜发现了人类已知的锂含量最高的巨星,它的锂含量是同类恒星的3000倍以上,堪称“宇宙最大充电宝”;再比如:郭守敬望远镜最近发现了万余颗来自宇宙早期的贫金属星,它们如同宇宙的“化石”一样记录了宇宙早期的演化信息;郭守敬望远镜找到了一批超高速星,它们的速度快到甚至可以摆脱银河系的引力。

  兴隆观测站现在每年接待公众参观1万余人次。相信随着我国公众科学素质的提高,会有越来越多的人会来这里仰望星空,探究宇宙的奥秘。

  (作者:闫宏亮,系银猪在线大学天体物理博士,银猪在线天文大科学研究中心LAMOST优秀骨干;陈颖为,系银猪在线国家天文台高级工程师)

天文学发展见证综合国力的提升

  站在今天回看历史,距离我国第一次提出自主建造望远镜已经过去了61年。中国的天文工作者从摸着石头过河建造60厘米望远镜,到利用领先的技术建造LAMOST,经历了脱胎换骨的蜕变。61年的积累的确将我们的技术与人才推到了一个前所未有的新高度。

  LAMOST的建造实现了多个世界之最,首先,它的结构是从无到有,是从0到1的创新,它的光纤数量也是一个世界之最。再者,我们的焦面自动化程度最高,四千根光纤全部是自动驱动到位的。还有,望远镜的视场宽度是5度,这也是一个世界之最,同口径望远镜只做到了2度多。特别值得一提的是,大口径望远镜的核心技术之一是镜面拼接和镜面变形的主动光学技术,就是每块子平面镜都要变形,然后还要拼接在一起,圆滑地拼接成一个波浪形的反射镜。国外的天文学家在看到了能够实时调整的动态波浪形改正镜MA之后,说的第一句话就是“中国人能造大型望远镜了”。它的建成将中国的镜面拼接和镜面变形的主动光学技术推向了世界的前沿。

  中国在天文望远镜领域方面的发展也并非仅仅局限于光学方面,而是全方位的。2016年,我国落成了世界上最大的单一口径射电望远镜FAST,其直径达到500米。这口大锅用来接收全宇宙中各种无线电波,到2018年9月已经发现了59颗优质的脉冲星候选体。而2017年,中国第一颗X射线天文卫星“慧眼”成功发射并于2018年年初正式投入使用,它可以接收来自黑洞、中子星等致密天体所发射的高能天体辐射,并以此来研究这些神秘天体的性质。在光学方面,中国与世界多个国家的顶级研究机构开展了深度合作,比如,多国在建造一架30米口径的光学望远镜TMT。它将会是新一代的极端巨大望远镜。得益于其巨大的口径和自适应光学等技术的应用,预计它的图像清晰度甚至比位于太空的哈勃望远镜都要高10倍。

  回顾中国天文科学数十年的发展,酸甜苦辣也许只有亲自参与到这场征程的人才能切身体会。但每一个科研工作者都能从中国天文望远镜的发展历史中,体会到新中国许多学科发展从无到有,从有到优的变化。更能体会到,这也是中国综合国力的发展在每个科学领域的体现。

  (作者:闫宏亮,系银猪在线大学天体物理博士,银猪在线天文大科学研究中心LAMOST优秀骨干)

星际旅行靠什么导航

  日前,我国首部科幻大片《流浪地球》持续创造票房纪录。因为它的精良制作,远远超出了观众对中国科幻电影的预期。不同于贺岁档的其他大片,这是一部包含了众多科学元素的烧脑大片,引发公众的热烈讨论。

  这部电影根据刘慈欣的同名小说所改编,讲述了太阳即将毁灭,联合政府决定将地球推离现有轨道来拯救人类的故事。此前,地球联合政府发射了一个空间站为地球逃离太阳系导航。

  这部电影里的很多情节让人非常好奇,比如为地球流浪领航的太空站如何导航。未来,人类进行更远的星际旅行时,还可能用到什么样的导航系统?

  要回答这些问题,先简单回顾一下日常生活中人类是如何导航的。

  一提到导航,人们很自然地就会想到手机里的各种导航软件。它们都是利用导航卫星来确定方位的。

  手机软件导航的工作原理简单来说是这样的:在地面之上约2万公里的空间,有几十个处于不同轨道的导航卫星。每时每刻,这些卫星都会发送特有的位置和时间信号,手机中的导航卫星信号接收器可以接收到4个不同导航卫星的信号,根据接收到的信号之间的差别,就可以算出手机所在的空间位置信息。

  理论上,导航卫星处于地面之上2万公里的高空,只要在低于卫星轨道的空间,都可以通过接收导航卫星的信号来导航。目前,在地球上空运行的国际空间站,离地面大约500公里,所以它的导航可以利用导航卫星。

  最早的导航卫星是美国发射的24颗铱星。后来,一些国家为了突破美国的技术限制,也发射了自己的导航卫星,组建了卫星导航系统,比如欧洲有伽利略导航系统,中国有北斗卫星导航系统。

  未来,如果人类有机会跨入到离地面2万公里外的深空,就需要全新的导航系统。

  空间导航的核心是在每一时刻,需要知道至少四个位置的参考源。根据众多观测结果,天文学家选用不同的稳定天体源,提出了几种可能的导航系统。

  一种就是最近几年谈得比较多的脉冲星导航。

  脉冲星就是我们极为熟悉的中子星,因为磁极方向能够产生射电或者X射线辐射,当转动轴和磁极不重合,而转动轴扫过地球的时候,就会产生人类所看到的脉冲,因此被称之为脉冲星。

  某一些脉冲星转动速度特别快,转动周期可以达到毫秒量级。这些脉冲星的转动稳定性非常好,可以比拟于地球上最好的原子钟,所以脉冲星也时常被称为宇宙间的原子钟。

  到目前为止,人类已经找到了几十个类似的脉冲星,分布在银河系内距离地球几百光年到几千光年的范围。如果人类可以接收到它们的信号,并且已知它们位置的话,可以利用这些脉冲星进行星际航行。

  最近,美国NASA的一些工程师就利用国际空间站上的一个名叫NICER的天文设备对此想法进行了验证。

  NICER的英文全称是Neutron-star Interior Composition Explorer,中文意思是中子星内部组成探测器,这是安装在空间站上随空间站一起运动的探测设备,它的探测波段为X射线。

  这些来自于NASA的工程师就利用这个设备在2017年对四个已知不同方位上的毫秒脉冲星进行了监测,通过上面类似的方式来计算空间站的位置。结果发现,相比较导航卫星的厘米误差,这次实验所得到的误差为将近16公里。

  尽管如此,这次实验验证了脉冲星导航的可行性。

  还有一种很好的方法,就是利用恒星来导航。在2013发射的欧洲盖亚卫星(GAIA)就计划对银河系内的10颗恒星的位置、恒星特征、距离以及运动速度进行精确测量。

  目前,科学家已经得到了第一批结果,等到这个计划的最终目标实现之后,人类就会有一个很好的银河系内星图,可以利用它来进行导航。

  或许对于接下来的银河系内的旅行,脉冲星和恒星导航已经是绰绰有余,然而天文学家们想得更远,如果人类有机会迈出银河系,进入更远宇宙的时候,能用什么来导航呢?

  银河系内的脉冲星有一定的问题,因为它们也是处于运动当中,位置并非不变。如果星际旅行的时间很漫长,人类是否有更好的位置参考系统?

  有些天文学家就提出,或许可以以那些遥远的某些星系作为参考,这些被选出来的天体就是天文学中常说的活动星系核。

  这些天体是星系中心的超大质量黑洞所产生的喷流,因为辐射非常明亮,往往比星系本身的辐射还要强很多。因为中心体积非常小,从遥远的地方去看,就像一个小点很难分辨,以至于在这类天体发现的最早期,最明亮的那一类被称为“类星体”。

  尽管这类星系也在空间运动,然而因为这些天体至少距离地球几十亿光年之外,看起来几乎不动,相比较上面提到的脉冲星位置上要稳定很多。

  法国的天文学家Charlot和他的团队在20世纪90年代末的时候选取了一些最致密和最稳定的活动星系核,建立了一个被称之为国际天球参照系统。

  经过20余年的发展和不断更新,这个系统当中从最早的包含了212个源,到现在遍布整个天空的300多个。这个系统或许也能够成为人类以后进行宇宙旅行所使用的导航系统。

  现在,随着虚拟技术的发展,人们对现实的太空探索兴趣在减少。刘慈欣在2018年克拉克想象力贡献社会奖领奖时曾说:“说好的星辰大海,你却只给了我Facebook。”

  不过,未来无论是地球附近的太空旅行,还是更远的星际旅行,都需要人类的共同努力和推动。只有这样,当地球真的面临“流浪”危险的时候,人类才真正能够坦然相对。

  科幻电影《流浪地球》引发的热潮最终也会过去,但期望更多的中国人能够在这部科幻电影的引导之下,多一些仰望星空的情怀,关注地球的未来。笔者还希望,更多的公众关注和支持我国科学的发展,这是未来国家发展的动力。

  (作者:苟利军,系银猪在线国家天文台研究员、光明网特约科学顾问)




(责任编辑:侯茜)

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