暗夜星空“守望者”

李瑞璇 張渺

→ 墨子巡天望遠鏡觀測基地近景 中國科學院供圖

一望無際的大漠戈壁中寸草不生，入眼只有無窮無盡的荒山。高處的山頂上，遠遠能眺見白色的圓頂。雖然樣式簡單，但里面的設備，卻能將浩瀚璀璨的星空圖景置于科學家眼前，得窺宇宙的一隅。

這便是中國科學技術大學-紫金山天文臺大視場巡天望遠鏡，也被稱作墨子巡天望遠鏡。

2023年9月17日，墨子巡天望遠鏡正式啟用，成功發布仙女座星系圖片。這標志著經過一個月左右的設備運行測試，望遠鏡設備各項指標基本達到設計標準，已經可以開展天文觀測研究。

在這張仙女座星系的“證件照”上，圖片中心區域被朦朧的星光包圍。這并不是墨子巡天望遠鏡的首個成像，而是利用不同夜晚觀測的150幅圖像疊加而成，可以測定仙女座星系和其周圍環境中天體的亮度變化，幫助科學家開展時域天文學研究。

“千淘萬漉雖辛苦，吹盡狂沙始到金。”拍攝的背后，是科學家們鮮為人知的辛苦和汗水。這張首光圖像背后有怎樣的故事？在墨子巡天望遠鏡啟用前夕，記者來到位于海拔4200米的青海省海西蒙古族藏族自治州冷湖天文觀測基地，進行實地探訪。

戈壁灘上的望遠鏡

水是生命之源，可在這里，用水洗碗都成了奢侈。“洗碗多浪費水。”中國科學技術大學天文學系博士后宛振在打包飯菜時說。在山上，他們只能用塑料碗將就著。甚至，為避免浪費，有時幾個人共用一個碗。

不僅水不便運輸，想自己煮飯，也會因為高原沸點不足而無法做到。中國科學技術大學天文學系教授、墨子巡天望遠鏡總設計師孔旭在介紹基地時說，平時在基地值夜班的團隊，都是從山下打包飯菜或攜帶速食產品上山。很長一段時間，科研人員的主食是泡面。

與這里的居住環境相配的是附近的無人區、戈壁灘。廁所在懸崖邊由幾個簡易施工板搭建，走上去咯吱作響。懸崖外放眼望去便是無窮無盡的荒山。

“晚上根本不敢出門，甚至不敢下樓，太黑了。”宛振提起，之前在荒山上沒有信號，科研人員們往往一“失聯”就是一個月。

但是，孔旭卻將這個外人眼中的苦寒之地視作一塊寶地。他解釋，到達望遠鏡的星光“穿透”地球大氣時會受到影響，而海拔越高大氣厚度越薄，觀測條件越好。

“天文臺修得越高越會有明顯的優勢。”他說。

墨子巡天望遠鏡“巡天”能力如何？中國科學院發布的數據顯示，口徑2.5米，采用國際先進的主焦光學系統設計和主鏡主動光學矯正技術，墨子巡天望遠鏡可實現3度視場范圍內均勻高像質和極低像場畸變成像，同時配備7.65億像素大靶面主焦相機，具備大視場、高像質、寬波段的特點。能夠每三個晚上巡測整個北天球一次，為北半球光學時域巡天能力最強設備。

記者隨孔旭來到墨子巡天望遠鏡天文臺建筑內部參觀。天文臺內部主要分為觀測控制室、設備控制室、設備調試間、休息室和望遠鏡圓頂等部分。

“我們會事先設計好觀測計劃，隨后給望遠鏡下達指令。”在設備控制室中擺放著數臺結構復雜的數據存儲柜，孔旭介紹，在網絡中斷的環境下這里可以存儲一個月的數據，而通過光纖傳輸至中國科學技術大學的數據可以存儲20年或更長的時間。

“我們在圓頂里盡量減少所有熱源和人造成的空氣流動。”孔旭說，輔助設備間是平均氣溫只有2.6攝氏度的圓頂中“最暖和的地方”。

為了減少熱量在空氣中對流時對圓頂大氣視寧度的影響，科學家們將發熱設備、噪音設備集中存放在一個小隔間內，這也使得小隔間之外的工作空間更為寒冷。

臺階狹隘陡峭，走過這里，墨子巡天望遠鏡整體便呈現在眼前。隨著長方形圓頂天窗的開啟，一片天空顯露在望遠鏡上方。

“這是國內唯一的大靶面拼接相機。”孔旭介紹，“蓋子”的開啟角度為15到92度，開啟后望遠鏡每30秒拍攝一張照片，隨后根據下一個目標變換度數繼續拍攝，“我們會盡可能做好觀測策略，保證相鄰兩次拍攝的天區是相鄰的，減少大范圍轉動望遠鏡造成觀測時間的浪費。”

→ 墨子巡天望遠鏡拍攝的仙女座星系中國科學院供圖

拍攝獲得的數據，不僅可以用來開展時域天文研究，還可以探究暗物質。孔旭告訴記者，不同星系中的暗物質含量、分布可能不同，可以通過觀測研究不同類型星系的特性來研究暗物質分布，并且通過這種方式了解暗物質的本質。

他以黑洞為例，對望遠鏡的功能進行說明。恒星等天體在被黑洞撕碎的過程中，黑洞周圍會突然變亮，“與‘燒煤相似，這是黑洞在‘燒恒星”。孔旭表示，墨子巡天望遠鏡對大天區進行高頻次拍攝，比較不同時間拍攝的圖片，就可以記錄下相應的過程。

石油小鎮“變身”星空小鎮

盡管條件艱苦，但在這里，能看到最干凈的天空。

這得益于海西州政府于2023年1月1日起施行的《海西蒙古族藏族自治州冷湖天文觀測環境保護條例》（以下簡稱“暗夜星空保護法”）。

“在沒有建設天文觀測基地時，只有200余人的冷湖鎮區逐漸走向衰落。”冷湖科技創新產業園區管委會產業經協部負責人曹春林回憶。冷湖原來是由石油而興的城市，后期由于石油戰略的西移而沒落下來，后在省科技廳及海西州委、州政府共同推動下與科研院所和高校聯系，開展望遠鏡臺址的遴選工作。

“當時已入駐觀測基地的科研院所和高校都提出燈光保護的需求。”曹春林說。

為使望遠鏡擁有最好的天文觀測環境，《冷湖天文觀測基地總體發展規劃》中規劃建設的28個平臺圍合形成約40.3平方公里范圍作為閉合區，向外延伸50公里作為暗夜星空保護的核心區域；從核心區向外50公里作為暗夜星空保護的緩沖區域。

曹春林說，政府條例出臺后當地區域最明顯的改變是，為保護現有的天文觀測環境，政府對地處暗夜星空保護區內已有規劃、還未動工或是剛動工的新能源項目重新選址，遷出核心區進行建設；同時對現有鎮區內的室外燈光進行一定管控。

“我們對過亮的燈牌、墻壁外的燈帶都提出了要求。”曹春林舉例，為避免晚上燈光太亮，政府對燈的開關時間也做了相關要求，同時拆除部分燈牌。

記者發現，條例第九條提到，“冷湖天文觀測環境暗夜保護核心區內，嚴格控制光源種類和亮度，所有戶外固定夜間照明設施的照射方向應當低于水平線向下30度。”

“加裝燈罩后只是把燈光聚集在所需要的照明范圍之內，避免形成向上的光源，并不是不讓存在任何照明光源。”對于此條規定，曹春林表示保護政策與當地居民的生活并不會相互制約，而是相互加分、相互促進的作用。同時正因為實施暗夜星空保護法之后擁有最優質的星空資源，冷湖鎮被賦予了區別于其他地方的特點，不斷吸引天文愛好者、游客來冷湖感受星空之美。

“如果有光污染，天空就會變亮。只有天幕背景足夠黑，才能看到更暗的天體，更有利于觀測。”曹春林解釋。

據他介紹，當地“正在打造國際生態旅游目的地”，后期政府計劃在天文臺內3700米海拔處建設天文研學產業基地平臺，開展民間研學科普活動，同時冷湖科創園區管委會在山下設立門禁系統，對天文觀測者的參觀訪問啟用網上預約登記，以此保證海拔3800米以上科研單位和高校的科研正常觀測。

見證墨子巡天望遠鏡“從無到有”

29歲的宛振認為天文學是以數據驅動為主的學科，只有擁有數據才能“做學問”、培養科學家，不然都是紙上談兵。

“我們有了自己的天文望遠鏡，首先數據方面得到了一定保證。”他說。

在墨子巡天望遠鏡相關項目中，宛振主要參與的工作是根據觀測結果從原始圖像中提取科學數據，這也是他認為自己在跟隨導師學習中收獲最大的地方。

“以前我們是拿到處理后的數據進行研究，現在需要我們自己去‘找數據。”宛振一開始對數據處理并不了解，在操作中他發現，從望遠鏡拍攝的原始圖像到能進行研究的科學圖像中間，有一系列復雜的處理分析過程。

宛振以“相機”為例：一般的照相機拍出的圖像與實物相比，肉眼并不能看到很大差別，但在科學領域中，需要減少誤差、盡可能精確測量每一個天體的位置和亮度。墨子巡天望遠鏡相當于“相機”，而宛振的工作就是校正相機成像圖片與天體實際位置和亮度之間的誤差。

通過實踐，宛振發現以前研究時直接拿到的觀測數據，原來如此來之不易。

與宛振同行的還有32歲的中國科學技術大學天文學系博士后李旭志。他目前參與研究的是與墨子巡天望遠鏡相互配合的光譜望遠鏡。

“測光可以簡單理解為‘拍照片。”李旭志說。測光是在一定頻率范圍內把所有的光子全部接收進來，對總亮度進行研究；而光譜是分別測量每個頻率處的光子數。“每個頻率處的亮度都不一樣”。

從2016年起，李旭志便對天文學產生了興趣。2021年他得知墨子巡天望遠鏡基地建設的消息后，主動聯系中國科學技術大學天文系副教授朱青峰，隨后參與到墨子巡天望遠鏡項目的研究中。

相比于墨子巡天望遠鏡單一的測光功能，光譜望遠鏡的建設使得相關科學問題考量更加全面，與墨子巡天望遠鏡“互補”。

“我最大的收獲是見證到望遠鏡從無到有的過程。”李旭志表示，之前的觀測都是直接使用現成的望遠鏡，這是他第一次真正參與到望遠鏡的建設過程，這也讓他有所收獲。“我們每周都會開會，介紹望遠鏡的建設進程。”

李旭志觀察到，之前的天文學系偏理論方面的研究人員較多，做技術方面工作的研究人員較少，“墨子巡天望遠鏡的建設讓人才體系更加全面了”。同時，在天文臺進行天文觀測、實際操作，都有專門的運維團隊負責，隨后將觀測原始圖像傳到數據處理團隊，再交由科學團隊對數據處理結果進行分析。

“從一開始的設想到最終實現的過程，就像看著小孩一步一步長大。”朱青峰感慨，“這是國家綜合實力變強的一種體現。”他在采訪最后說。

（摘自2023年9月25日《中國青年報》。作者分別為該報見習記者、記者）