北半球巡天能力最強光學望遠鏡將誕生！我國WFST項目開工

擬投資2億元的天文望遠鏡項目，近日在青海省冷湖觀測基地舉行了奠基儀式。

這是一台2.5米口徑光學望遠鏡，名為中國科學技術大學-中國科學院紫金山天文台大視場巡天望遠鏡（Wide-Field Survey Telescope, 簡縮為WFST），由中國天文學家自主建造的科學裝置。5月11日，WFST基建項目在冷湖正式開工。

對中國科學院紫金山天文台研究員鄭憲忠來説，這是值得紀念的一天。因為，距離WFST項目提出已將近10年。他從項目醖釀之初就開始參與，現為WFST副總設計師。

這個用了近10年才開始破土動工的科學裝置，會帶來什麼驚喜？

三大核心科學目標

美國也有一個口徑2.5米的透鏡望遠鏡——斯隆望遠鏡（SDSS），和WFST一樣，都是在焦面上覆蓋CCD探測器。

“斯隆望遠鏡兼具光譜觀測和圖像觀測能力，而WFST只進行圖像觀測，在光譜觀測上沒有太多優勢。”鄭憲忠告訴科技日報記者，“但是，WFST的CCD探測器覆蓋面積更廣，圖像觀測能力是斯隆的5倍。因此，我們能開展深度時域巡天，就像給天空拍電影一樣。”

另外，WFST集光效率更高，像質優於斯隆望遠鏡。斯隆望遠鏡首光時間是1998年，相比之下，更年輕的WFST使用了更先進的技術，比如採用國際先進的主焦光學系統設計。鄭憲忠表示，WFST建成後將成為北半球巡天能力最強的光學望遠鏡。

據介紹，WFST有三大核心科學目標。

第一個是進行大規模時域巡天。時域天文學是研究天體性質隨時間改變的規律，一般的研究目標包括引力波事件電磁對應體、超新星、潮汐瓦解事件等暫現源，和變星、耀發星、耀變體及活動星系核等光變天體。

通過時域天文學研究，可以監測宇宙中很多未知事件，比如理論上預測到但還沒有觀測確認到的現象，或發現一些從未被理論預知過的新現象。

“2.5米大視場巡天望遠鏡，在天文學上的魅力就在於發現可以開闢新研究方向的未知事件和現象。長期監測廣袤的宇宙，便得以窺探宇宙深處的秘密。”鄭憲忠説。

第二個是搜尋外太陽系的天體，比如柯伊伯帶的天體。鄭憲忠介紹，相比較水星、金星等，外太陽系的天體距離太陽較遠，比較闇弱且移動緩慢，通過多次重複觀測，WFST可以對外太陽系的天體進行一次普查。

第三個是在銀河系結構和近場宇宙學研究領域取得突破。針對被觀測的天體，WFST可在不同波段進行上百次的觀測，探測靈敏度呈數量級提升。

通俗來説，WFST可以“盯着”一塊天區，進行多次曝光拍照監測，圖像疊加後能探測到更遠、更暗的星體，並對這些星體的空間分佈和組成進行精細的刻畫。

比如，研究被捕捉而掉落進銀河系的行星衞星星系及其星流，從而對銀河系形成歷史有更深入瞭解，或是通過精微細緻的觀測圖像研究近鄰宇宙的結構。

我國自主設計研發

記者瞭解到，WFST望遠鏡項目分為望遠鏡本體、主焦相機、望遠鏡圓頂台址和數據存儲分析四大分系統。

鄭憲忠告訴記者，WFST的設計製造大部分採用國產部件。“隨着我國工業製造能力提升，國內高精尖設備研發製造能力提升很快。比如，WFST的光學設計由我們自主完成，主鏡本體和主焦相機就由國內單位自主加工建造。”

不過，有些關鍵部件還需要進口，包括望遠鏡本體中使用的微晶玻璃材料，以及主焦相機上使用的CCD探測器芯片。

微晶玻璃剛度高、絕緣性能優良、介電常數穩定，關鍵是熱膨脹係數極小，且耐化學腐蝕、耐磨、耐高温。

微晶玻璃煅燒難度大，WFST使用的微晶玻璃從德國進口。

CCD探測器芯片每塊邊長略大於9釐米，看起來與人的手掌大小差不多。WFST會在CCD探測器上拼接使用9塊（3×3）芯片。

鄭憲忠説，手機上使用的CMOS芯片能達到千萬級別的像素就已很厲害。而CCD探測器芯片的單片像素為8500萬，所以，WFST單幅曝光圖像就能達到7億多像素。相比常用單反相機，WFST可以説是一個超級相機。

“但我們自己造不了科學級CCD探測器芯片。WFST是從半導體制造公司Teledyne e2v採購的。每一塊芯片的進口價約180萬元人民幣。”鄭憲忠告訴科技日報記者。

受新冠疫情影響，CCD探測器芯片的交付晚於預定時間。如果接下來進展順利，WFST有望於2022年上半年完成安裝，並於明年夏天開始調試。

一次成功的合作模式

WFST項目順利開展，離不開深度合作。

2012年，紫金山天文台時任台長楊戟開始醖釀WFST項目，由鄭憲忠牽頭推動。接下來的幾年，紫金山天文台WFST項目組與國內天文同行和南京天文光學技術研究所等國內光機單位開展合作，不斷推進預研工作——確定科學目標、設計方案、技術指標、探測器方案以及光學、機械、電控等分系統等。

但申請經費多次碰壁，直到與中國科學技術大學開展科教融合，事情才有了轉機。

在雙方合作共建中國科學技術大學天文與空間科學學院的基礎上，2018年3月，WFST項目啓動會在中國科學技術大學召開，項目獲得中國科學技術大學“雙一流”平台建設支持。

“WFST不僅是我們自主創新的原研設備，從合作模式上看也意義重大。”鄭憲忠説。

中國科學院前沿科學與教育局數理化學處副處長毛羽豐表示，通過開展科教融合，並在“雙一流”平台的支持下共建WFST，將對中國科技大學天文學科建設成世界一流學科起到重要推動作用。

鄭憲忠表示，WFST望遠鏡項目能順利開工，也離不開青海省的大力支持。“冷湖地處偏遠，物資缺乏，望遠鏡又是在賽什騰山頂建造，從人力、物力、財力上看，投資成本肯定比正常水平翻倍。”

據國家天文台首席研究員鄧李才介紹，從各方面看，冷湖賽什騰山具備建成世界級優良天文台址的條件，不少望遠鏡項目醖釀在此落户。

值得欣喜的是，中國天文學科發展迅速，已從利用國外裝置獲取的數據階段邁向研製觀測設備獲取一手數據的新階段。

（受訪者供圖）