国内高校首台大望远镜！北天球最强“星空摄像师”开始巡天

文 ｜ 《中国科学报》记者 倪思洁

9月17日，墨子巡天望远镜（WFST）正式开启天文巡天观测研究，并成功发布仙女座星系图片。

墨子巡天望远镜坐落于青海省海西州茫崖市冷湖镇赛什腾山天文台址，是一台口径为2.5米的大视场光学成像望远镜，由中国科学技术大学（以下简称中国科大）和中国科学院紫金山天文台（以下简称紫金山天文台）于2018年3月1日启动联合研制。

该望远镜是目前北半球光学波段时域巡天能力最强的望远镜，能以每3个晚上巡测整个北天球一次的速度，拍摄整个北天球的影像，成为真正的“星空摄像师”，可与预期在2025年投入使用的、位于南半球的薇拉鲁宾天文台大型综合巡天望远镜（VRO/LSST）在天区覆盖上互补，实现全天时域监测。

 

墨子巡天望远镜拍摄的仙女座星系。仙女座星系M31距离地球约250万光年，直径约20万光年，由于仙女座星系在天空中跨度大，已有的天文望远镜难以同时拍摄其精准全貌及周围环境。该图片是利用不同夜晚观测的150幅图像叠加而成，可以测定仙女座星系和其周围环境中的天体的亮度变化，开展时域天文学研究。此外，结合500米口径球面射电望远镜（FAST）观测数据，首光科学图像数据还能进一步揭示恒星形成与气体之间相互作用的演化关系。中国科学院供图

墨子巡天望远镜。中国科大供图

国内高校建成的首台大型望远镜

2012年，时任紫金山天文台台长的杨戟研究员，开始思考一个问题：“有没有可能在我国建一个时域天文巡天望远镜？”

当时，国内的望远镜能够开展巡天观测的就不多，能做时域天文巡天的望远镜更是一个都没有。杨戟很快组织起一批专家，对这个想法进行论证。中国科大的孔旭教授，也是专家论证组的一员。

“随着现代天文观测技术的飞速发展，自2010年代之初，时域天文逐渐成为天文学的一个很重要的研究方向。”孔旭说。

时域天文学是一个以动态方式研究天体性质如何随时间发生变化的天文研究领域，其主要研究对象是宇宙中各类壮观而神秘的动态事件，如天体的剧烈爆发，在极端环境下的特殊活动等。

墨子巡天望远镜诞生的契机出现在2016年。当时，通过“科教融合”，中国科大天文学系与紫金山天文台等单位联合，成立了中国科学技术大学天文与空间科学学院。第二年，中国科大天文学科入选教育部、财政部、国家发改委建设世界一流学科名单，并在教育部第四轮评估中被评为A+学科。而此时，中国科大也开始筹划如何深化学校双一流学科建设。

2017年，时任中国科大天文学系执行主任的孔旭、紫金山天文台台长杨戟和研究员郑宪忠不约而同想到了建设大视场巡天望远镜，并开始尝试联手推动望远镜的立项建设。2018年3月1日，在中国科大校长包信和院士等校领导的支持下，望远镜的立项预研工作启动。2019年，中国科大最终决定，自筹经费，在青海省的支持下，建设墨子巡天望远镜。

“这是目前国内高校建成的第一个大型天文设备。”如今已成为墨子巡天望远镜总设计师的孔旭说。

墨子巡天望远镜。中国科大供图

四年建设实现“国际领先”

墨子巡天望远镜的地点选在冷湖赛什腾山天文台址，位置在海拔4200米的C点，距离茫崖市冷湖镇区约70公里。这里夜天光背景低，视宁度优良，空气中尘埃含量少，年降水量只有50毫米，每年可用于天文观测的时间长达270天，是近年来国内发现的具备世界顶级光学天文观测条件的台址之一。

2019年7月，墨子巡天望远镜开始建设。当时，赛什腾山下的戈壁滩上只有少量车轮碾压出的痕迹，山上根本没有路。

今年8月，望远镜建成，基础设施条件得以完善。从冷湖镇通往赛什腾山天文台址的公路建成，在山脚下远远地就能望见墨子巡天望远镜的雪白圆顶。一条长达35公里的双车道柏油公路，蜿蜒在山腰间，饮用水和食物等物资可以很快由此运送上山。望远镜圆顶内部也已经完成建设，观测控制室、休息室、机房等一应俱全。

墨子巡天望远镜高10米，重50吨。主镜口径2.5米，镜面厚度0.12米，面形平整度优于8纳米。观测时，宇宙星光“打”到2.5米的凹面镜上再反射进主焦镜筒，穿过镜筒内由七块透镜组成的复杂光学系统，最终抵达位于镜筒末端的大靶面电荷耦合器件（CCD）拼接式相机。

墨子巡天望远镜运维团队负责人、中国科学院紫金山天文台青海观测站总工程师娄铮介绍，望远镜实现了“世界领先的主焦光学系统”，配备的CCD相机采用大面阵拼接工艺，像元数高达7.65亿。

与同口径的望远镜相比，它不仅可以实现3度视场范围内均匀高像质和极低像场畸变，完成超宽波段的高质量观测，还具备高紫外透过率特性，对高能暂现源具有极佳的探测灵敏度。

“墨子巡天望远镜的通光面积大、杂散光少，系统探测灵敏度高，具备强大的巡天能力，能够每3个晚上巡测整个北半天球一次，可开展北天2万平方度天区大规模快速图像巡天观测。”孔旭说。

此外，望远镜拍到的观测数据已经可以通过两条数据专线，分别传至中国科大和紫金山天文台。按照国际惯例，这些数据将在一年半后进行全球共享。

墨子巡天望远镜内部。王一鸣摄

前沿装备的吸引力

通过高精度位置和多波段亮度观测数据，墨子巡天望远镜可以监测移动天体和光变天体，高效搜寻和监测天文动态事件。

例如，它可用于探测引力波事件电磁对应体、超新星爆发等高能时域天文事件；进行太阳系天体普查，寻找第九大行星；还可以用于探测银河系结构，研究暗物质本质等。

“对墨子巡天望远镜积累下来的巡天数据进行叠加，将提供北天球高精度、大天区、多色测光和位置星表。在未来数十年内，这些传世巡天数据，可用于宇宙中各类天体的证认和系统研究。同时，墨子巡天望远镜将面向国家航天强国战略，开展太阳系近地天体等搜寻与监测研究，服务航天安全和深空探测战略需求。”孔旭说。

在孔旭看来，墨子巡天望远镜为人才培养提供了平台。

中国科大与紫金山天文台联合共建天文与空间科学学院后，采用了人才联合培养模式——学生们第一年在中国科大完成理论学习，之后到紫金山天文台进行科研训练，最终获得中国科大的学位学历证书。

“如今，双方联合共建墨子巡天望远镜，我们的融合更加紧密了，望远镜将成为培养天文学人才的重要平台。”孔旭说。

不仅如此，墨子巡天望远镜也成为吸引海外优秀人才的“磁石”。

今年4月，“90后”姜继安辞去了在日本的工作，归国加入中国科大，成为天文学系特任教授。他的研究兴趣正是墨子巡天望远镜的主要观测对象之一——超新星。

“大概三年前国内开始有老师联系我，询问一些相关时域巡天以及望远镜建设方面的问题。后来当我知道，中国科大正在积极建设墨子巡天望远镜时，立刻就被吸引了。”姜继安说。

从2021年7月，姜继安就已加入墨子巡天望远镜团队，负责制定望远镜巡天观测计划并参与相关的科学预调研工作，帮助望远镜瞄准创新前沿并实现科学产出效益最大化。

姜继安表示，墨子巡天望远镜也吸引了国际同行的广泛关注，不少来自世界各地的同行向他询问望远镜的建设进度，或是表达强烈的合作意愿。

“虽然全球范围内已经拥有众多时域巡天项目，但这些项目使用的望远镜口径大多都在米或是亚米级别。墨子巡天望远镜拥有2.5米的大口径和高达6.5平方度的有效视场，意味着它能帮助天文学家发现更多遥远、暗弱以及罕见的暂现源目标。现在，墨子巡天望远镜已经逐步走上正轨，我们十分期待她将带来的一个又一个激动人心的发现。这也正是时域巡天所独有的魅力。”姜继安说。