為了看清宇宙，希望建設更多“天眼”
13年前，“光譜之王”郭守鏡望遠鏡（以下簡稱LAMOST）橫空出世；6年前，暗物質粒子探測衞星“悟空”號劃破蒼穹；2021年，中國天眼500米口徑球面射電望遠鏡（以下簡稱FAST）面向全球開放；未來，冷湖天文觀測基地、空間站巡天望遠鏡將給我們帶來更多的驚喜……
當前，中國天文學迎來了歷史上最好的發展機遇。我國天文學如何抓住機遇實現領跑？“悟空”號、“慧眼”號等飛向太空的望遠鏡將看到哪些精彩絕倫的景象？“留守”地球的LAMOST、FAST等又如何發揮光學、射電的優勢？近日，在與科技日報記者的對話中，中國科學院院士、中國科學院國家天文台台長常進闡述了自己的思考。
人類進入了空間天文時代
科技日報記者：在大眾的眼中，天文學總與浪漫的星辰聯繫在一起，具體到您的研究方向空間天文學，似乎又是另一個世界了。您能否先講講什麼是空間天文學？它與傳統的地面天文學之間有哪些不同？
常進：隨着技術的進步，天文學研究已經進入了全波段時代。首先，我們要理解什麼是全波段。根據波長，可以把電磁輻射分為射電、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線。全波段時代就意味着，我們對於天體的研究不再侷限於傳統的可見光波段，而是拓展到從射電到伽馬射線的全波段。
其次，電磁輻射是怎樣產生的？輻射產生的物理原因多種多樣，比如宇宙有磁場，當帶電粒子在磁場中偏轉時就會發生同步擴散，進而產生電磁波。當磁場增強、粒子能量增加時可能會產生X射線、伽馬射線等。所以，通過在不同的波段觀測宇宙，可以看到天體的不同物理過程。
最後，為什麼要進入空間？這是因為大部分電磁波無法穿越地球大氣，比如科學家想要觀測天體發出的紅外線，但大氣把紅外線吸收掉了，在地面觀測不到天體發射的紅外線，所以必須把望遠鏡放到大氣頂部，也就是到空間去觀測，這就是空間天文學。
此外，由於大氣湍流運動會影響光的傳播，為了降低大氣的影響，光學望遠鏡也會被送到天上去。比如我們熟知的哈勃空間望遠鏡，它雖然在地面上也能實現觀測，但進入空間之後，其2.4米的口徑可以達到地面10米口徑望遠鏡的觀測水平，獲得了更高的角分辨能力。這樣，人類就進入了空間天文時代，也就是全波段時代，所有電磁波段都可以被監測到。
科技日報記者：“悟空”號是我國將望遠鏡送到空間去的一項全新探索，它實現了國際首次利用空間實驗對100 TeV的宇宙線質子能譜的精確測量。今年9月，“悟空”號又發佈了首批伽馬光子科學數據，伽馬光子與暗物質有着怎樣的聯繫？對伽馬光子的數據開展研究，將為“看”到暗物質作出什麼貢獻？
常進：發射“悟空”號，主要目的是高分辨觀測宇宙高能粒子和高能伽馬射線。伽馬射線是頻率特別高的電磁波，因為大氣會對其產生吸收，只能到空間去觀察。
雖然時至今日，我們還不清楚暗物質的物理特性，但根據理論模型推測，暗物質可能會衰變或者湮滅產生高能伽馬射線。所以，我們通過研究伽馬射線去間接探測暗物質粒子。另外，由於伽馬射線是不帶電粒子，不會被宇宙磁場影響，它的傳輸路徑不會發生偏轉。因此，我們通過研究伽馬射線的空間分佈，或許可以進一步定位暗物質的起源。
但是，高能伽馬射線的流量特別低，“悟空”號每天只測到1—2個。想要獲得伽馬射線的能譜和空間分佈情況需要大量數據，所以，“悟空”號經過了3年的積累才向世界發佈。即使這些數據還不夠多，我們希望通過向全世界公開共享衞星數據，讓全球科學家共同挖掘其科學價值。
期待未來光學巡天發展
科技日報記者：有專家提出，未來十年是光學巡天的黃金時代，國際上也早就建設了10餘台8—10米口徑的光學望遠鏡，從您的分析來看，我國光學巡天還需要從哪些方面着力？
常進：我國的光學巡天還在起步階段。一般來講，望遠鏡分為專用和通用，早期由於我國經濟實力不強，即使是2米級的通用望遠鏡也僅有兩台，一台是位於河北興隆觀測基地的2.16米望遠鏡，一台是位於中國科學院雲南天文台的2.4米望遠鏡。而擁有4米口徑的LAMOST是一台專用望遠鏡，它只能做光譜巡天，觀測銀河系中的恆星，還沒有進入到更深宇宙。
科技日報記者：近期關注度頗高的冷湖天文觀測站，是否體現了光學巡天領域我國“自己的計劃”？
常進：冷湖是中國科學院國家天文台在我國中西部尋找到的最適合光學巡天的地點。光學天文要求大氣透明度高、夜光背景小，這樣的地點不是很容易找到。一方面，人類活動越來越密集，晚上的背景光很強，很難看到很暗的星空。另一方面，光學巡天不僅要求大氣透明度高，還要求大氣穩定，大氣湍流會使光線發生偏移，導致我們觀測到的星星是閃爍的。但是我們需要寧靜的星星，這樣在望遠鏡的照相底片上就會呈現一個點，對研究最有利。天文學家用視寧度來描述大氣背景，冷湖是0.75角秒，與國際最佳台址同期數據大致相同。
冷湖的規劃中，中國科學技術大學和中國科學院紫金山天文台計劃在2—3年內共建，落成2.5米大視場巡天望遠鏡。未來，還有可能在冷湖建設12米大型光學紅外望遠鏡以及清華大學的6.5米寬視場光譜巡天望遠鏡。
但是冷湖並不是無限大的，需要天文學家提前做好規劃，不能盲目發展，不能使它無序化。
科技日報記者：LAMOST位於河北興隆，距離北京非常近，它的氣象條件能滿足光學巡天的要求嗎？未來是否有搬遷到冷湖的計劃？如果搬遷，其後LAMOST在設計上會發生變化嗎？
常進：北京發展太快導致興隆的背景光比20年前增加了幾十倍，有時甚至上百倍，所以LAMOST也只能搬到更遠的地方去，目前正在計劃將它搬到冷湖。搬遷後它的設計是否發生變化現在還在討論中，最簡單的方法是保持原狀，只是搬過去。但由於LAMOST已經工作10多年了，我們還是獲得了一些經驗和教訓，我們希望可以進一步改進它，包括光學設計、口徑等。
望遠鏡建設前景可期
科技日報記者：為打造我國天文自主生態，您認為，在國家整體規劃和頂層設計上應該做怎樣的考慮？
常進：我國這幾年天文學發展很快，但總體上與國際水平還有較大差距。現在是射電天文一枝獨秀，光學天文與國際水平相差比較大。
在射電天文領域，我國掌握了大型望遠鏡的建造技術，國家的工業實力也能夠實現這些技術，所以在建設射電望遠鏡方面困難小一點。就FAST來説，現在它在射電低頻波段的觀測能力已經達到了世界第一，這得益於幾代科學家的努力，其實它還有很大的提升空間，我們希望在更高的頻段探索建設FAST陣。
現在的“天眼”望遠鏡相當於“獨眼龍”，可以看到很微弱的東西，但是這個微弱的東西究竟長什麼樣，一隻眼睛看得還不是很清楚，所以我們希望有更多的“天眼”去看。在FAST陣建成後，其靈敏度不僅能超過平方公里陣射電望遠鏡的第一階段（SKA1），未來還有可能超過第二階段（SKA2）。
所以，我們掌握了FAST的關鍵技術，知道了如何做大望遠鏡，再加上貴州省得天獨厚的地形地貌，可以很快地用比較便宜的價格使其達到高靈敏度和高角分辨水平，希望在未來，FAST陣可以在射電天文領域實現世界領先。
科技日報記者：在光學領域有怎樣的規劃？
常進：在光學領域，全國的天文學家正在討論望遠鏡的建設計劃，近期希望建設12米大型光學紅外望遠鏡。另外，我國還即將發射空間站巡天望遠鏡，我們稱之為中國的“哈勃”，它的視場可以達到哈勃空間望遠鏡的300倍。
光學望遠鏡，尤其是空間站巡天望遠鏡的建造，耗資更龐大，要求科學家必須要認真、踏實地走好每一步，才能使望遠鏡達到預設指標，發揮更好的效用。但是要達到革命性突破，更關鍵的是要掌握先進的關鍵技術，所以還要先在實驗室中取得突破。
當然，天文研究的國際合作也十分重要。今後我國要加入SKA天文台等國際大科學計劃，並發展FAST陣等以我國為主的國際大科學計劃，這也將成為我國天文學發展的一個重要途徑。
當前的背景下，望遠鏡將會越建越多，相信中國天文未來的發展也一定會更加美好。