蔡峥 清华年夜学地理系副主任、深空技巧核心副主任。代表作宣布于Science、Nature Astronomy等国际著名杂志，获第六届“迷信摸索奖”，清华年夜学学术新人奖，其研讨结果当选清华年夜学最受师生存眷的十年夜亮点结果。MUST观点图。报告人供图巡天之路有人曾问我：你们地理系的人是做什么的？我答复他：咱们是研讨宇宙的。什么是宇宙？2000多年前的中国昔人就给出过谜底：“往古来今谓之宙，四方高低谓之宇。”（《淮南子》）宇宙，恰是空间跟时光。人类对宇宙的察看跟摸索，自数千年前连续至今。公元前3000年阁下，古埃及人依据对天狼星的临时察看，制订了最早的太阳历，将一年定为365天。大概在公元前5世纪，古巴比伦人就曾经晓得了黄道，并把黄道带分别为十二个星座，以神话中的神或植物定名。在我国山西陶寺遗迹，考古任务者发明了4000多年前的不雅象台，这也是现在天下上已知最陈旧的不雅象台遗迹。3000多年前商王武乙时代的牛胛骨上曾经完全刻上了六十干支；在已发明的甲骨卜辞中另有相称数目的日月食、新星、超新星的记录。以陶寺为出发点，从河南登封的测景台，到东汉张衡的浑天仪，再到元代郭守敬的《授时历》，都是陈旧中国察看时光空间的汗青注解。中世纪，阿拉伯人制作了巴格达聪明宫、马拉盖地理台等有名的地理观察机构。1576年，丹麦地理学家第谷树立了天下上最早的年夜型地理台，并停止了四十余年不连续的地理观察，为十六世纪供给了最完全、最精细的察看材料，这是人类仅凭肉眼观察宇宙所能到达的最高程度。1609年—1618年，德国地理学家开普勒始终努力于寻觅跟量化行星活动的物理起因，经由周密的盘算，他发明了有名的行星活动三定律，为“万有引力定律”的发明供给了主要启示。1609年，意年夜利物理学家伽利略发现了最早的千里镜。应用克己的千里镜察看太空，他发明了太阳自转、木星的四个卫星等一系列主要景象。1668年，英国物理学家牛顿发现了第一台反射式千里镜。从科技史的角度来看，这些对地理、天然法则的迷信发明，直接启示了第一次产业反动，极年夜地推进了出产力开展并深远地转变了天下格式。古代宇宙观察的开始来源于爱因斯坦提出狭义绝对论。二十世纪二十年月，美国地理学家爱德温·哈勃应用2.5米口径光学千里镜观察河外星系，第一次看到了宇宙的收缩，这成为年夜爆炸实践的主要证据，开启了古代宇宙学的研讨汗青。二十世纪六十年月的四年夜地理发明，两项取得诺贝尔物理学奖。此中宇宙微波配景辐射与二十世纪九十年月开端实行的年夜范围星系巡天都标明宇宙空间洋溢着暗物资，人们熟知的一般物资（原子跟分子）只占宇宙物资密度的很小一局部。二十世纪末的观察进一步标明宇宙正在暗能量驱策下减速收缩，三位天体物理学家因而取得2011年诺贝尔物理学奖。进入新世纪，人类对系生手星的研讨从“发明形式”迈入年夜数据“统计形式”。停止现在，人类已发明了近5000颗系生手星。2015年，在狭义绝对论宣布100周年之际，人类第一次探测到了来自宇宙空间的引力波，这一结果于2017年取得诺贝尔物理学奖。2018年，位于南极的冰下探测器捕获到一个来自悠远黑洞的中微子，宣布地理学已进入“多信使时期”，人类能够应用电磁波、引力波跟中微子等多种载体对宇宙停止观察。巡天之因我常常还会碰到人们的另一个发问：人类为什么要察看宇宙？这个成绩跟着时光空间的变更是有差别详细谜底的。对昔人而言，察看宇宙的目标，包含效劳历法更替、农业出产、游览帆海、仪式、占卜祭奠等。这就是中国昔人所说的“乃命羲跟，钦若昊天，历象日月星斗，敬授平易近时”（《尚书》）。在十七世纪，跟着欧洲年夜学的崛起，随同哥白尼“日心说”、牛顿三定律跟万有引力被先后提出，人们得以更迷信地意识宇宙；同时，跟着帆海运动增多，社会对导航所需的恒星地位及行星活动的研讨也在回升。同时，机器制作业的开展也为制作更精细的观察仪器供给了可能。而当地理学开展到明天，咱们能够答复说，察看宇宙是为了意识全部宇宙。全部宇宙有多年夜呢？当初已知的宇宙，其巨细濒临900亿光年，这是进入“准确宇宙学时期”的咱们比拟明白的。咱们常说宇宙波及空间跟时光，那么宇宙时光又有多长呢？准确宇宙学告知咱们，宇宙大略有138亿年。那么咱们又该怎么来意识这138亿年呢？跟着宇宙越来越收缩，其密度越来越下降，宇宙密度低到必定水平的时间，咱们发明有一种奥秘的力气——暗能量在起感化。“发明暗能量”是2011年诺贝尔物理学奖得主获奖的重要起因。暗能量在年夜标准上并不是引力，而浮现出一种“斥力”，驱动全部宇宙减速收缩，在宇宙收缩的进程中，暗能量占了69%，别的另有26%的暗物资，可见物资最多只占5%，也就是说，宇宙中至少95%咱们还不晓得。跟着经济、科技的开展，古代宇宙观察曾经不只是为了促进人类常识跟技巧，还波及空天范畴、国度保险、经济开展、社会福祉等多方面。这里我简略先容一些各人身边源自地理学的事物：二十世纪七十年月为观察暗弱的深空天体旌旗灯号，人们发现了背照式CCD（电荷耦合器件，Charge-coupled Device），年夜幅晋升了CCD的效力，成果是让咱们有了代替胶片的新的照相技巧。并且CCD对人工智能开展也有主要影响——人工智能三年夜主要的先决前提是算法、算力跟数据，此中最主要的数据就是CCD供给的。另有各人当初常用的WiFi，也是在摸索“霍金辐射”中研发的技巧。别的在原子能、新动力等方面，地理学亦有奉献。简而言之，地理观察开展至今，极年夜地推进了其余天然迷信以及高新技巧，如光学、机器、电子、把持等科技开展。对于宇宙观察的最终意思，我以为应是发明新法则，拓展人类的摸索界限，特殊是发明“未知的未知”（乃至并非如“暗能量”“暗物资”这类“已知的未知”）。同时，摸索将来宇宙中包含的巨量的资本，答复能量起源、宇宙来源、性命来源、人们从那边来、到那边去的最终成绩，揭秘引力与其余感化力的同一、系外聪明性命、虫洞、时光穿越等，为将来的星际游览积聚须要的常识跟技巧。能够说，地理是永久的迷信前沿，为人类设想力插上有形的同党。巡天之望人类观察宇宙的方法多种多样，跟着科技的提高，这些方法也在一直开展跟演化：（1）光学（重要包含红外线、可见光芒、紫外线）千里镜观察：光学千里镜是汗青最长久、利用最普遍同时也是直至当初还在疾速开展的一类千里镜，由此催生了进步光学、精细电控、高敏锐探测器等效劳社会的技巧开展。它们接受的光的波长重要从多少十纳米到多少十微米不等，已知最早的光学千里镜呈现于1608年的荷兰，之后伽利略对千里镜的原型停止了改良，并将其利用于地理学。牛顿在1668年制作出第一架反射镜。卡塞格林在1672年应用一个小凸透镜作为第二反射镜，将光芒反射穿过主镜核心洞孔，进一步改良了光学成像的品质。傅科在1857年引入了在玻璃镜面上镀银的顺序，年夜年夜增添了反射效力。二十世纪以来，一系列口径越来越年夜的、以玻璃作为镜面的反射镜连续被制作出来，西欧的十米级光学千里镜获得的结果在近些年取得了多项诺贝尔奖。我应用最多的也是光学千里镜，光学千里镜利用普遍，天体发射的旌旗灯号在这一波段也最广泛。（2）射电地理学观察：二十世纪三十年月崛起，人们应用无线电装备接受来自太空的无线电波。与光学千里镜比拟，它们接受的光的波长十分长，能够从零点多少厘米到数米不等。射电地理学使咱们可能探测到在“可见光波段”内十分黯淡的天体，比方脉冲星、类星体、疾速射电暴等，而且能够穿透灰尘云察看星系核心地区。比方我国的“天眼”就是寰球最年夜的单体射电千里镜，曾经有了很好的发明。（3）X射线跟伽马射线观察：高能地理学专一于X射线跟伽马射线如许的高能量辐射。与光学千里镜比拟，其探测光的波长很短，重要从百分之一纳米到多少个纳米。它们平日由极其物理前提下的天体收回，比方黑洞邻近、超新星暴发等。因为X射线、伽马射线多少乎完整被地球年夜气层所拦阻，以是此类观察必需在太空中停止。（4）引力波观察：2015年，人类初次直接探测到引力波，标记着一个全新的观察窗口开启。引力波是由强引力场变乱（如双黑洞兼并）发生的时空荡漾，LIGO（激光干预引力波地理台）跟Virgo（室女座干预仪）等空中设备能够检测到这些幽微旌旗灯号，供给了一种差别于电磁波的新视角。近十年来，深空探测、天体物理方面的研讨结果已五获诺贝尔奖。将来十年，宇宙探测开展将浮现进一步减速态势。在此配景下，光学千里镜重要有以下多少个偏向的开展趋向：更年夜的口径：无论是曾经退役的新一代太空千里镜詹姆斯·韦伯千里镜（JWST），仍是以后正在建立的30米级欧洲极年夜千里镜（E-ELT）等，这些巨型千里镜将领有史无前例的辨别率跟敏锐度，可能捕获到更幽微、更悠远的天体旌旗灯号。但是，这些超年夜口径千里镜的视场都很小（多少个平方角分的量级），这象征着每次曝光可能笼罩的视角比拟小，像E-ELT、JWST等都只能笼罩特殊小的天区，很难做很年夜的巡天。更多种波段的协同观察：将来的地理台将努力于构建一个多波段观察收集，联合X射线、紫外线、可见光、红外线、引力波、中微子等多种数据，供给愈加片面而准确的天体图像，进一步提醒实质。更高的智能化与主动化：人工智能算法将越来越多地利用于千里镜的操纵治理跟数据剖析中。智能调理体系能够依据气象状态、目的优先级等要素主动部署观察打算；人工智能能够辅助疾速处置海量数据，辨认出有代价的信息。进入二十一世纪，天下各地理强国正在筹建下一代年夜型地理观察装备。空中光学千里镜的口径将从当初的8至10米级增年夜到30至40米；已退役20多年的哈勃空间千里镜（HST）曾经被詹姆斯·韦伯千里镜（JWST）代替；由九个国度配合的年夜型射电千里镜——平方公里阵列（SKA）也在紧锣密鼓地研制；寰球引力波探测打算行将进入到由五台探测器结合任务的GW2.0时期，以空间引力波地理台为配角的GW3.0时期也在酝酿之中。我国也踊跃参加到地理观察装备的寰球竞争中。自21世纪以来，我国千里镜开展获得了明显成绩，尤其是在年夜型光学千里镜、射电千里镜以及空间地理观察范畴。中国迷信院国度地理台于2008年建成的年夜视场多目的光纤光谱地理千里镜，别名郭守敬千里镜（LAMOST），是事先天下上最年夜的年夜视场千里镜之一，存在4米的无效口径跟5度的视场角。LAMOST重要用于年夜范围巡天，获取了大批恒星光谱数据，为研讨河汉系构造与演变供给了可贵资本。FAST（500米口径球面射电千里镜）俗称“中国天眼”，是现在天下上最年夜单口径、最敏锐的射电千里镜，坐落于贵州平塘县喀斯特高地之中。FAST于2016年9月正式启用，在脉冲星发明、星际分子探测等方面获得了一系列主要结果，而且支撑了多项国际配合研讨。2017年发射的硬X射线调制千里镜（HXMT）别名慧眼卫星，该千里镜是中国首颗专门用于硬X射线波段的空间地理千里镜，旨在摸索黑洞、中子星等高能天体。该义务弥补了中国在这一范畴的空缺，并与其余国际地理设备协同任务，独特提醒宇宙神秘。将来，中国迷信院打算制作10米级口径的通用型空中年夜型光学红外千里镜。清华年夜学、北京年夜学、上海交通年夜学也都在打算制作4米级及以上的年夜口径光学安装用于差别迷信目的的摸索。此中，多目的宽视场光谱巡天千里镜（MUltiplexed Survey Telescope），是由清华年夜学引导的一个国际当先的下一代地理设备。MUST的主镜口径为6.5米，这块6.5米的主镜也将成为我国有史以来最年夜的单体镜面。除了超年夜的主镜面之外，这台千里镜的光学体系十分奇特。咱们之前说过，国际上极年夜千里镜每每只有很小的视线（视场），但是，MUST却领有一个很年夜的视场。可想而知，由此带来的光学体系也十分存在挑衅性。MUST领有超年夜的副镜、矫正镜等，有这些镜子的庞杂的光学组合，能够处理“年夜口径”与“年夜视场”之间的抵触。这些高精度镜面的制作跟检测，必将极年夜晋升我国的光学加工检测才能，比方副镜，是一个2.4米的非球面凸面，这些都是我国素来不做过的高精度镜面。进步而庞杂的光学体系，使得MUST具有7平方度的视场，MUST的一次曝光就能够笼罩30个满月的全部视线，从中失掉2万个天体的光谱。如许的设置，足以开启人类第五阶段（新一阶段）的光谱巡天。在新的阶段，二维成像巡天特殊多，包含欧洲的Euclid，美国的LSST、WFIRST，以及我国的CSST等，都是以二维成像（照相片）为主的巡天。将来，天空中有图像的星系数量超越300亿个，但真正有光谱的星系很可能缺乏3000万个，二者之间存在着三个数目级的宏大差距。光谱是非常主要的信息，有了光谱，咱们就能够晓得星系的化学构成，晓得它们的间隔，可能把两维巡天酿成三维巡天，相称于为人类意识宇宙的摸索停止“升维”。因而，MUST从一开端就把星系光谱作为开展的重中之重，也是从这个意思下去说，MUST不只仅弥补了我国千里镜范畴的空缺，也弥补了天下千里镜范畴的空缺。从2019年破项以来，MUST已接收多渠道资金达10亿元。相干建立已获得主要停顿，各分体系均进入具体计划跟投产阶段，为我国建立基本迷信安装开展了新的摸索。MUST胜利进入清华年夜学2030翻新举动打算A类优先支撑的年夜迷信工程名目。2024年11月，MUST的迷信白皮书向天下宣布，多个国际威望讲演表现，如许一台光谱巡天千里镜，将是国际上在十亿元国民币阁下的小投入下，还可能获得严重基本研讨冲破的绝佳抉择。西欧也提出了相似的假想。因为我国于2019年就启动了这项任务，因而在这一严重汗青机会上已获先机，无望更早实现这一天下当先的巡天名目。等待在各界独特尽力下，咱们可能捉住这个多少十年一遇的机会，在摸索宇宙中“未知的未知”的途径上，奉献来自中国的主要力气。而MUST也将把人类带到已知与未知天下的边沿，启示无穷的猎奇心与设想力，让人类联袂摸索众多宇宙，共创美妙将来。（作者对讲座文稿有订正）（原题：《巡天：地理千里镜观察宇宙之路》）
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