“日月安屬，何所不照？”

2000年前，屈原在《天問》中的詩句反映了他對宇宙奧秘的深刻探求。自古以來，天文就是中國文化的重要組成部分。在公元前14世紀(jì)的殷墟文化遺跡中，我們便可看到那時人們對天象的細(xì)致觀察記錄。可以毫不謙虛地說，在歐洲文藝復(fù)興之前，我國就是天文現(xiàn)象最精確的觀測者，記錄也是保存得最好的。古代農(nóng)業(yè)活動的高度繁榮推動了天文觀測儀器和方法的發(fā)展，我國古代對天文的觀測始終領(lǐng)先于全球。古時候的中國人制定了極其精密的歷法來指導(dǎo)農(nóng)業(yè)活動。郭守敬在13世紀(jì)編訂的歷法，已經(jīng)將一個回歸年計(jì)算到365.2425天的精度，比歐洲的格里高利歷早了300年。

▲郭守敬，元朝時期最著名的水利工程師、天文學(xué)家、儀表制造專家

文藝復(fù)興時期和隨后的大航海時代，航海和貿(mào)易活動大大拓展了歐洲人的活動范圍，測繪定位的需求和工業(yè)及物理學(xué)的發(fā)展極大推動了天文學(xué)的研究，我國的天文研究自那時起開始逐漸落后。天文學(xué)是以觀測為根本的學(xué)科，其發(fā)展基于人們對未知夜空的探索渴望。開普勒的老師第谷可能是最后一個靠肉眼觀測記錄引導(dǎo)重大天文發(fā)現(xiàn)的天文學(xué)家。此后，先進(jìn)的天文學(xué)觀測設(shè)備成為推動天文學(xué)發(fā)展的重要引擎，每一次重大發(fā)現(xiàn)往往都建立在觀測能力的跨越式進(jìn)步之上。

我們的前輩也早早意識到了這一點(diǎn)。在民國時期，建立在南京玄武區(qū)紫金山第三峰天堡峰上的紫金山天文臺，是中國自己建立的第一個現(xiàn)代天文學(xué)研究機(jī)構(gòu)，被譽(yù)為“中國現(xiàn)代天文學(xué)的搖籃”。隨著城市的發(fā)展，位于城市內(nèi)或附近的天文臺的觀測條件逐漸無法滿足天文學(xué)觀測的要求。20世紀(jì)80年代后，天堡峰上的天文臺改建為了天文科普基地，而我們尋找優(yōu)秀觀測臺址的腳步從未停下。

▲紫金山天文臺遠(yuǎn)眺

自上個世紀(jì)以來，我們在宇宙觀測和理解方面取得了前所未有的突破。現(xiàn)代天文學(xué)的發(fā)展需求推動了望遠(yuǎn)鏡性能的極大提升，使其能夠觀察到更遙遠(yuǎn)、更暗淡的天體，并提高觀測的精準(zhǔn)度。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，科學(xué)家們不遺余力，甚至將望遠(yuǎn)鏡發(fā)送到外太空，以避開地球大氣和人為燈光污染的干擾。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡就是在這種條件下極大地拓寬了人類的視野，它所拍攝的瑰麗夜空是無數(shù)孩童天文夢想開始的地方。盡管太空為天文觀測提供了極佳的環(huán)境，但由于成本、體積和重量的限制，地面天文臺依然發(fā)揮著不可替代的作用。

對于地面天文觀測而言，選擇合適的臺址是至關(guān)重要的。關(guān)鍵指標(biāo)如視寧度、露點(diǎn)、晴夜數(shù)及天光背景亮度等都是評估觀測站優(yōu)劣的重要因素。視寧度代表著觀測站區(qū)域上空大氣的穩(wěn)定程度，被稱為大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的生命線。大氣不穩(wěn)定會導(dǎo)致星像模糊，就如同我們站在河岸邊透過泛起漣漪的河水觀看水下的游魚。晴夜數(shù)決定了天文學(xué)家可用的觀測時間。天光背景亮度決定了望遠(yuǎn)鏡能夠看到的天體的暗弱極限和宇宙空間的最大范圍。在過去幾十年里，天文學(xué)界公認(rèn)世界上有三大頂級的觀測臺址：夏威夷的馬納基亞（Mauna Kea），智利的塞羅帕拉納爾（Cerro Paranal）和西班牙加那利群島的拉帕爾馬島（La Palma）；在這三大頂級天文觀測圣地上，都建設(shè)有10米級口徑的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，極大地豐富了我們對宇宙的了解。

西北高原上的小鎮(zhèn)，全球天文學(xué)界的焦點(diǎn)

隨著中國天文學(xué)的快速發(fā)展，對優(yōu)質(zhì)觀測臺址和先進(jìn)天文設(shè)備的需求日益增長。華夏土地地大物博，幅員遼闊，是否存在一個各項(xiàng)指標(biāo)與世界三大天文臺比肩的觀測臺址呢？2021年，中國科學(xué)院的鄧?yán)畈爬蠋煹热嗽谇嗪Ｊ『Ｎ髦菝Ｑ率械睦浜?zhèn)旁找到了這樣一個臺址。他們自2018年起開始在海拔四千多米的賽什騰山上對這里的夜空和空氣進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測，并于2021年在《自然》雜志上發(fā)表了他們的研究成果。這些成果表明，賽什騰山臺址的觀測條件完全不遜色于世界三大頂級觀測臺址，使這個位于西北青藏高原上的小鎮(zhèn)一躍成為全球光學(xué)天文學(xué)界的焦點(diǎn)。

六十年前，這里曾是中國四大油田之一，每年產(chǎn)油超過二十萬噸，近十萬名工人和家庭在此安家落戶。隨著石油資源的逐漸枯竭，曾經(jīng)繁華的小鎮(zhèn)逐步衰落，最終僅剩數(shù)百人常住，幾近荒廢。廢棄的建筑和遼闊的戈壁灘成了游客的打卡背景，靜靜訴說著昔日的輝煌與今日的寂寥。

▲星空下的戈壁灘。（供圖：馬瀟漢）

然而，隨著賽什騰山被認(rèn)定為世界頂級的天文觀測地點(diǎn)，這片被遺忘的土地迎來了科學(xué)的曙光。賽什騰山旁的小鎮(zhèn)冷湖，經(jīng)歷了六十年的沉寂后，如今再次煥發(fā)出勃勃生機(jī)。目前，山上已經(jīng)部署了超過35臺大大小小的天文望遠(yuǎn)鏡，總投資額達(dá)到了20億人民幣。這些望遠(yuǎn)鏡中的一部分已經(jīng)建設(shè)完成并開始投入使用，它們不僅為天文學(xué)家提供了研究宇宙的新工具，也為冷湖鎮(zhèn)帶來了經(jīng)濟(jì)活力和希望。這個曾經(jīng)因石油而繁榮，因資源枯竭而衰退的小鎮(zhèn)，現(xiàn)在正逐步轉(zhuǎn)型為一個科學(xué)研究和天文觀測的重要基地。

▲2020年冬季賽什騰山的雪后夕陽，天文臺籠罩在落日余暉中。（供圖：鄧?yán)畈牛?/p>

截至目前，賽什騰山上最顯著的設(shè)備莫過于由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)與中國科學(xué)院紫金山天文臺共建的“墨子”巡天望遠(yuǎn)鏡。官方稱其為大視場巡天望遠(yuǎn)鏡（WFST），該望遠(yuǎn)鏡自2023年底啟動巡天工作。"墨子"特別設(shè)計(jì)用于快速巡天觀測，配備了2.5米直徑的主鏡、先進(jìn)的主動光學(xué)系統(tǒng)，以及一個由九塊9K*9K規(guī)模的CCD拼接成的7.65億像素相機(jī)。它最引人注目的特點(diǎn)是其“寬視場”，每次拍攝能夠覆蓋6.55平方度的夜空天區(qū)。為了讓讀者直觀感受到這個面積的大小，可以嘗試一個小實(shí)驗(yàn)：將大拇指豎起并伸直手臂，此時你的大拇指指甲蓋大約占據(jù)了2平方度的視場，而滿月的視面積還不足0.2平方度。"墨子"通過在不同光學(xué)波段上連續(xù)拍攝，能以每三天一次的頻率持續(xù)掃描北天。

▲賽什騰山上的墨子巡天望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)景（視頻來源：MREnderman）

墨子巡天，觀候明變

我們已經(jīng)詳細(xì)探討了“墨子”巡天望遠(yuǎn)鏡的獨(dú)特之處，這臺望遠(yuǎn)鏡以其快速的巡天觀測能力而著稱。但快速的巡天觀測到底有何科學(xué)意義呢？

想象一位魚類研究人員，如果他只在幾個小海灣進(jìn)行采樣，雖然也能收集到一些魚類標(biāo)本，但這些結(jié)果只能反映局部情況，難以揭示整個海洋中魚類的分布。類似地，通過對廣闊夜空的系統(tǒng)性重復(fù)觀測，巡天望遠(yuǎn)鏡幫助我們繪制出包含星系、星系團(tuán)乃至宇宙物質(zhì)的詳盡分布圖，建立一張宇宙奧秘的完整拼圖。在此過程中，我們還能持續(xù)記錄天體變化、發(fā)現(xiàn)新的天體和天文現(xiàn)象，探測以前未知的小行星等，為理解恒星、超新星等天體的動態(tài)過程提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

▲墨子巡天望遠(yuǎn)鏡圓頂上開有天窗，遙遠(yuǎn)的星光就是從這個天窗照射到厚達(dá)12厘米的主鏡上，主鏡上會鍍一層銀色的鋁反射膜。（視頻來源：MREnderman）

這種觀測不僅有助于捕捉如致密天體并合的電磁對應(yīng)體等罕見宇宙事件，還極大地推動了圖像處理和數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展。巡天觀測的長期性和系統(tǒng)性，就像是在叢林中設(shè)置的攝像機(jī)，不斷地監(jiān)視野生動物的活動，為我們帶來了海量的數(shù)據(jù)，引導(dǎo)了數(shù)據(jù)處理方法的重大變革，極大地豐富了我們對宇宙的認(rèn)識。

針對“墨子”巡天望遠(yuǎn)鏡的強(qiáng)項(xiàng)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已制定了一套獨(dú)特的巡天觀測策略。在接下來的六年里，它將執(zhí)行兩個主要的巡天項(xiàng)目，覆蓋廣闊的天空區(qū)域并高效地收集數(shù)據(jù)。寬視場巡天（WFS）計(jì)劃將覆蓋約8000平方度的北天區(qū)域，在四個不同的光學(xué)波段進(jìn)行觀測。這個項(xiàng)目在空間尺度上顯示出系統(tǒng)性，每個觀測子區(qū)域在六年內(nèi)將被拍攝約90次，每次曝光時間為30秒，確保收集充足的數(shù)據(jù)來記錄天體的變化，如近地天體的運(yùn)動或河外天體的亮度變化。

此外，深度高頻u波段巡天（DHS）計(jì)劃將執(zhí)行一個更為高時間頻次的巡天模式，專注于捕捉時間尺度上的變化。每年將對圍繞赤道的約720平方度區(qū)域進(jìn)行深入觀測，特別關(guān)注瞬時和暫現(xiàn)的天體現(xiàn)象，如超新星的早期爆發(fā)和其他快速變化的事件。

這兩種策略為“墨子”巡天望遠(yuǎn)鏡量身定制，不僅提供了關(guān)于宇宙結(jié)構(gòu)的重要數(shù)據(jù)，還幫助天文學(xué)家深入理解天體物理現(xiàn)象的時間變化。更重要的是，“墨子”觀測的北天區(qū)域與LSST觀測的南天球形成互補(bǔ)，使我們能夠獲得關(guān)于整個天空的全面視圖，極大地推動了天文學(xué)研究的全球協(xié)同和數(shù)據(jù)共享。這種基于時域天文學(xué)的巡天觀測，是探索宇宙的一個重要前沿方向，預(yù)示著天文學(xué)研究的新篇章。

▲墨子巡天望遠(yuǎn)鏡拍攝的仙女座星系(M31)首光圖片。仙女座星系距離地球約250萬光年，直徑約20萬光年。這張照片是墨子巡天望遠(yuǎn)鏡通過每次30秒共計(jì)150次曝光，得到的150張照片疊加合成。（供圖：中國科學(xué)院）

在2023年八月，就在“墨子”巡天望遠(yuǎn)鏡落成前夕，我有幸親自前往冷湖鎮(zhèn)賽什騰山，親眼見證了這座巡天重器的壯觀。從冷湖鎮(zhèn)出發(fā)，沿著G215國道向東，一條灰黑的柏油公路穿越無垠的赤色大漠，蜿蜒曲折地引領(lǐng)我們攀登至賽什騰山頂。站在那里，我試圖想象，在這條公路建成之前，鄧?yán)蠋熀涂蒲袌F(tuán)隊(duì)是如何克服重重困難，到達(dá)這片偏遠(yuǎn)的高地的。同時，我對那些參與修建這條道路的工人和政府所付出的艱苦努力深感敬意。

觀賞著夕陽下巨大的白色圓頂和遠(yuǎn)方地平線上若隱若現(xiàn)的公路，我深刻感受到人類對未知自然的好奇心有多么強(qiáng)烈?，F(xiàn)在的賽什騰山上，一個個白色的建筑從堅(jiān)硬的巖石中拔地而起，其中不僅有光學(xué)巡天的50BiN望遠(yuǎn)鏡、專注于恒星震蕩研究的SONG望遠(yuǎn)鏡，還有搜尋和研究太陽系小天體的紫金山天文臺多應(yīng)用巡天望遠(yuǎn)鏡陣列、專注于行星大氣光譜觀測的PAST望遠(yuǎn)鏡，以及國際領(lǐng)先的、用于太陽磁場精確測量的中紅外觀測系統(tǒng)（AIMS）太陽望遠(yuǎn)鏡。在“墨子”巡天望遠(yuǎn)鏡背后的另一座山峰上，塵土飛揚(yáng)中，清華大學(xué)的6.5米口徑寬視場光譜巡天巡天望遠(yuǎn)鏡臺址也正在緊張建設(shè)中。

▲星空下的冷湖實(shí)驗(yàn)室。（供圖：馬瀟漢）

回顧歷史，兩千五百年前的墨子，作為華夏大地上的科學(xué)先驅(qū)，通過最早的小孔成像實(shí)驗(yàn)，揭示了光的直線傳播本性。如今，以他命名的“墨子”巡天望遠(yuǎn)鏡依托眾多科學(xué)家的不懈努力而矗立于此，不僅是對墨子精神的繼承，也預(yù)示著這臺望遠(yuǎn)鏡將在科學(xué)史上留下濃墨重彩的一筆。