中国“慧眼”仰望星空

编者按

    “嫦娥四号”成功登陆月面，火星探测计划公布，科幻电影《流浪地球》上映持续火爆……2019年，越来越多的中国人抬头仰望星空，向深邃的宇宙和璀璨的星河投去目光。人类想要看到更暗的恒星和更深邃的宇宙，常需要借助天文望远镜的“慧眼”。本期邀请中国科学院国家天文台专家为读者介绍中国现代光学天文望远镜的发展历程和亚洲规模最大的光学天文观测基地。

    人类对于星空的敬畏和好奇源于天性，深邃的宇宙就如同有着魔力一般。回顾科学发展的历史，人类对于星空的着迷似乎从来不分民族、地域或时间。即使是视力优秀的人在夜晚最多也只能看到几千颗星，这个数量和宇宙的庞大相比不值一提。例如，据天文学家估算，仅在银河系中就有超过1000亿颗恒星。

    想要看到更暗的恒星和更深邃的宇宙，需要借助天文望远镜的力量。1608年，荷兰眼镜制造商汉斯·利普西向政府提交了一项折射望远镜的专利，这是现存最早的望远镜发明记录。这项发明当时可以说风靡欧洲，很快就传到了意大利物理学家伽利略耳中，之后他在一个月内便造出了自己的望远镜，并将它指向了天空。从此，人类便拉开了利用望远镜来观察和理解宇宙的帷幕。

    现代天文望远镜已经远非伽利略时代的望远镜所能比拟，它们不但更大、精度更高，还涵盖了几乎各种电磁波段（例如X射线、光学、红外、射电等）。不过，回顾现代天文望远镜的历史，不难发现光学天文望远镜在一个相当长的时间内占据着绝对主导的地位。下面就通过国家天文台兴隆观测站的介绍，来一窥中国现代光学天文望远镜的发展历程。

1.为了更好仰望星空，负责选址的科学家们在荒郊野岭中寻觅了11年

    在河北省内燕山主峰雾灵山南麓的连营寨，10个现代化的天文圆顶矗立于郁郁葱葱的山脊之上。这里就是当今亚洲规模最大的光学天文观测基地——中国科学院国家天文台兴隆观测站。如果不是偶尔还能看到颇具年代感设计的外宾楼和红砖围墙，很难想象这座占地700亩的现代天文观测站已经历了半个世纪的沧桑。

    兴隆县隶属于河北省承德市，它位于北京的东北方向，海拔约900米。生活在城市中的人如果去过兴隆站，就会被这里优美的自然环境所吸引。

    不过若有幸在这里留宿，夜晚的兴隆站才会真正展现出她最迷人的一面。璀璨的银河划开整个夜空，繁星点点令人眼花缭乱。

    也许在此之前你从未感受过星空的壮丽，但在这里只要你抬头一望，便立刻能领悟“震撼”二字的含义。牛郎和织女仿佛不再如传说般遥远，猎户的身影再也不扑朔迷离，就连淡蓝色的昴星团似乎也近在眼前。这时你会深切理解什么叫作“手可摘星辰”。若是时机合适，在你仰望星空之时甚至总能捕捉到一些流星的身影，它们就像夜晚的精灵。

    和普通望远镜不同，科研用的天文望远镜更大、更重、精度更高，同时也很难移动。因此，建设天文望远镜之前，必须考虑一个重要的问题：建在哪儿？

    天文学家们需要前往全国各地人迹罕至之处（为了避开光污染），选择晴夜数较多（有更多的时间可以观测）、大气宁静度较好（拍摄的图像质量会更好）的地点作为观测站的站址。

    在选择兴隆之前，负责选址的科学家们在荒郊野岭中寻觅了11年，这期间的苦累同经常出现的生命危险比不值一提。为了找到优良的天文台址，当时动用了几乎所有可能的手段，现在的兴隆站站址，是历经千辛万苦才确定的。

    2.我国光学天文领域的“明星”：60厘米望远镜、2.16米望远镜、郭守敬望远镜……

    兴隆观测站目前共有50厘米以上的天文望远镜9架。这里既有著名的郭守敬望远镜（LAMOST），又有我国自主研制的第一台大型光学望远镜“216”……每一台天文望远镜背后都有精彩的故事，凝结着中国天文学家和工程师们的汗水。更重要的是，它们在各自领域均作出过基础的科学贡献，见证了我国天文学的发展。

    新中国成立以来，我国的天文学家一直希望用自己的天文望远镜做天文研究，早在1958年就提出自主建造一架2.16米（85英寸）口径的望远镜。很快在当年就获准建造。

    2.16米望远镜属大型、精密的光机系统，当时的工业基础要想建造这样的大型望远镜几乎没有可能。为了积累经验，老一辈天文学家提出先建造一架60厘米的小型望远镜做前期试验。我国老一辈天文学家用这架望远镜取得了不少成果，其中之一就是寻找超新星。过去发现超新星并不容易，找到超新星在世界范围内属有显示度的成果，我们的天文学家创新寻找方法，用60厘米望远镜在很短的时间里找到了四十多个超新星。

    60厘米望远镜完工之后，我国在此领域有了一定的积累，这种积累既有工程技术方面的，也有人才队伍方面的。于是，2.16米望远镜的建造便于1974年重新被提上日程，并于1986年开始建设，1989年建成。从望远镜批准到最后建成，历时31年。这是几代科学家历尽艰辛，从零开始逐步摸索才取得的成就。

    2.16米望远镜建成后，我国天文学家除了可以观测天体图像，还新增了一个选项：光谱观测。对于光谱，很多人可能并不熟悉，但对于彩虹我们就不陌生了——其实彩虹就是太阳的光谱。

    我们都知道，用三棱镜可以将太阳光色散成七色光，这个七色光也是太阳的光谱。天文学家是用特殊的方法将星光色散成“七色光”，星光的“七色光”就是天体的光谱。当然，所谓颜色，其实是不同波长的光，天文观测上的光谱分辨率往往是远高于七个颜色的，因此天文光谱就是一个天体在不同波长处的能量。天体的光谱可以告诉我们很多的信息，例如我们可以知道天体中每种元素的含量、天体沿着我们视线运动的速度、天体的温度、重力、旋转速度和磁场，甚至可以知道天体的年龄。

    2.16米望远镜产出了一大批有代表性的成果，特别是超新星光谱的观测让它名声大振。

    最近，2.16米望远镜又有新发现。这是一个由国际天文学家团队所进行的合作研究，他们利用全世界各地的望远镜共同观测了超新星iPTF14hls。这颗超新星自1954年以来，已经爆炸过6次，像是拥有不死之身一样。2.16米望远镜贡献了其光谱序列中最早的两条光谱。

    2.16米望远镜建成之后，我国天文学家通过它拍摄的光谱做出了很多成果，但它也无法避免效率不太高的问题。于是我国的天文学家便开始思考能否建造一个专门用于拍摄光谱的望远镜，让它具备远超传统望远镜的光谱获取能力。最终，这个愿望得以实现，它就是郭守敬望远镜。

    郭守敬望远镜于1997年立项，2008年建成。它是目前我国最大的光学望远镜，其有效通光口径达到4米。

    郭守敬望远镜的结构完全由我国的科学家独创，地球上没有第二架。王绶琯院士和苏定强院士主要构思出了这架望远镜的结构，崔向群院士带领南京天文仪器光学研究所与多家科研团队合作将其变为现实。

    郭守敬望远镜结构设计特殊，同时兼具大口径和大视场两个优点，大口径意味着更多的进光量，大视场意味着可观测的范围更广，可同时观测的目标数量更高。郭守敬望远镜的焦面上安装了4000根可以自由移动的光纤，也就是说一次观测就能拍摄近4000个天体的光谱。直到今天郭守敬望远镜还是世界上光谱获取效率最高的望远镜。

    它于2012年开始运行，至2015年上半年仅两年半的时间，它获取的光谱数量就已经超过了世界上其他望远镜之前拍摄所有光谱数量的总和。截止到2018年6月一期观测结束，郭守敬望远镜总共获取了超过900万条光谱，而这个数字还将会随着已经开始的二期观测而继续以惊人的速度增加。

    利用郭守敬望远镜庞大的光谱数量，天文学家们得以对银河系进行“星口普查”。例如，天文学家利用郭守敬望远镜为银河系重新画像，两次刷新了银河系半径大小，从原来的5万光年扩大到了10万光年，增加了一倍；还有最近郭守敬望远镜发现了人类已知的锂含量最高的巨星，它的锂含量是同类恒星的3000倍以上，堪称“宇宙最大充电宝”；再比如：郭守敬望远镜最近发现了万余颗来自宇宙早期的贫金属星，它们如同宇宙的“化石”一样记录了宇宙早期的演化信息；郭守敬望远镜找到了一批超高速星，它们的速度快到甚至可以摆脱银河系的引力。

    兴隆观测站现在每年接待公众参观1万余人次。相信随着我国公众科学素质的提高，会有越来越多的人会来这里仰望星空，探究宇宙的奥秘。

    （作者：闫宏亮，系中国科学院大学天体物理博士，中国科学院天文大科学研究中心LAMOST优秀骨干；陈颖为，系中国科学院国家天文台高级工程师）