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國家天文臺興隆觀測基地的大天區(qū)面積多目標光譜天文望遠鏡(英文簡稱LAMOST)。 |
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直徑1.75米的成像焦面之上，密密麻麻地分布著4000根光纖探頭。本報記者 杜躍進 攝 |
| 編者按：溫家寶總理曾經(jīng)說過，一個民族有一些關注天空的人，他們才有希望；一個民族只是關心腳下的事情，那是沒有未來的。
寥廓無垠的星空，看上去是離我們最遙遠的所在。但對星空的探索，卻使人類不斷地豐富著自己，就這個意義而言，星空又離我們很近。天文學從來就不是一門孤立的科學，不僅是近代科學革命的搖籃，也是推動人類進步的源泉之一。今天，天文學作為一門基礎學科，對其他自然科學的發(fā)展起著極大的推動作用，研究成果直接服務于國防、通訊、導航、測地、預報自然災害等領域。
中國的天文學家們經(jīng)過努力拼搏，研制出了世界上口徑最大的大視場光學望遠鏡，LAMOST以其中國原創(chuàng)的新概念和新方法，極具創(chuàng)新的技術和工藝，代表了我國大型光學精密儀器的最高水平，成為我國科技領域自主創(chuàng)新的典范。她使人類觀測天體光譜的數(shù)目提高至千萬量級，使我國在該領域處于國際領先地位。
中國的天文學家們將借助LAMOST巡天遙看億萬星河，去發(fā)現(xiàn)宇宙中更多的奧秘。讓我們一起共同期待。
LAMOST：燕山深處的“中國大眼睛”
宇宙是怎樣形成的？宇宙中數(shù)以百億計的星系是如何構成的？我們徜徉其中的銀河系又是如何形成和演化的？仰觀深邃浩瀚的星空，這些基本而又深奧的問題始終縈繞在古今中外無數(shù)哲人、詩人和科學家的心頭。
古希臘哲學家泰勒斯，長時間沉浸在對天空星辰的觀察中，結果不小心掉進了水坑里，有人笑話他只專注天空而忘了腳下的路。后來，他利用觀察天空的知識推測出橄欖樹必獲豐收，結果賺了一大筆錢。諸葛亮夜觀天象借東風大戰(zhàn)赤壁，已成為代代相傳的千古佳話。18世紀偉大的哲學家康德曾經(jīng)說過：“世界上有兩件東西最能夠深深地震撼人們的心靈，一件是我們心中崇高的道德律，另一件是我們頭頂上燦爛的星空�！�
科學家們從未停止過對這迷人星空的探索。2008年，發(fā)生在河北興隆燕山深處的一件事情震驚了國際天文界：一雙在地面上可以觀測無垠星空的眼睛———由中科院國家天文臺承擔的國家重大基礎科學工程項目———大天區(qū)面積多目標光譜天文望遠鏡(英文簡稱LAMOST)，在國家天文臺興隆觀測基地誕生。
2009年6月4日，耗資2.3億元的LAMOST項目順利通過了國家發(fā)展改革委組織的竣工驗收。
天文學家的描述是：LAMOST是目前世界上口徑最大的大視場光學望遠鏡，也是世界上光譜獲取率最高、最有威力的光譜巡天望遠鏡。LAMOST以其大視場、大口徑以及多目標光譜的探測能力，在跟隨地球自轉和隨太陽公轉的過程中，可以對整個北天球及部分南天球進行掃描探測。
這是一項由中國天文學家自主設計、國際領先的技術創(chuàng)新。
獲取更多星辰的“身份密碼”
盡管科學技術在不斷發(fā)展進步，但科學家們還是不得不承認，迄今為止，科學只描述了宇宙的極小部分。在浩瀚的宇宙中，人類已經(jīng)認識的普通物質只占4%，而人類所不了解的暗物質和暗能量各占22%和74%。
美國科學技術委員會提出的新世紀要解決的十一個科學難題中，暗物質和暗能量分別排名第一和第二�？茖W家們認為，揭開暗物質和暗能量之謎，將是繼哥白尼的地心說、牛頓的萬有引力定律和愛因斯坦的相對論之后，人類認識宇宙的另一次飛躍，并有可能引發(fā)現(xiàn)代物理學新的革命。
探測暗物質和暗能量，“光譜巡天”是重要的手段之一。這是因為，天體光譜中蘊涵著豐富的物理信息，就像生物體的基因密碼DNA一樣。人們如果能接收到這些信息并對它們進行分析，就可以解讀遙遠天體的基本情況，知道這些天體的距離、構成、分布以及運動速度等等。
可是，受觀測手段的制約，在數(shù)以百億計的天體中，人們只對其中的約萬分之一進行過光譜測量。要加強對未知宇宙的探測和研究，大量天體光學光譜的獲取便成為關鍵。而要在足夠廣闊的太空中獲得足夠數(shù)量的星星的光譜，首先需要具有能夠觀測多個天體光譜的技術，同時還必須具備兩個條件：一是觀測望遠鏡的視場必須足夠大；二是觀測望遠鏡的口徑也要足夠大。如果用照相機作比喻，大視場就相當于廣角，口徑相當于焦距。
就口徑和視場而言，目前世界上的天文望遠鏡可大致分為兩種：一種是大口徑望遠鏡，主要用于天體的細節(jié)觀測，其視場很難做大；另一種是大視場望遠鏡，可同時巡天觀測很多天體，但口徑卻很難做大，因而很難觀測到暗弱的天體“大視場兼?zhèn)浯罂趶健保情L期以來天文望遠鏡技術的一個難題，也是眾多天文學家迫切希望解決的問題。
魚與熊掌能否兼得？LAMOST試圖解決這一世界級難題。
獨具特色的“中國大眼睛”
上世紀90年代，世界天文學技術迅猛發(fā)展。為了在競爭激烈的國際天文學前沿占有一席之地，我國天文學家王綬琯院士、蘇定強院士等針對天文研究中“大規(guī)模天文光譜觀測嚴重缺乏”這一情況，提出了“大視場與大口徑兼?zhèn)洹钡奶煳耐h鏡新概念及LAMOST的初步方案。方案創(chuàng)造性地將40多米長的鏡筒固定，并用主動光學技術(即鏡面可控，實時變化)來實時產(chǎn)生非球面面形不斷變化的高精度鏡面，從而使得大口徑的大視場望遠鏡成為可能。這一巧妙的創(chuàng)新設計，突破了國際上光學望遠鏡大口徑和大視場難以兼?zhèn)涞钠款i。后經(jīng)中科院國家天文臺南京天文光學技術研究所所長崔向群研究員、中國科技大學褚耀泉教授等人進一步的研究細化和論證，形成了LAMOST的具體方案。
將LAMOST這一優(yōu)秀的設計方案變?yōu)楝F(xiàn)實，意味著大量世界級技術難題的攻克：首次在一塊大鏡面上同時應用薄變形鏡面主動光學技術和拼接鏡面主動光學技術，并控制鏡面面形精度達頭發(fā)絲的數(shù)千分之一；首次實現(xiàn)六角形的主動可變形鏡;首次在一個光學系統(tǒng)中同時采用兩塊大口徑的拼接鏡面；首次應用并行可控的4000根光纖的定位技術，而目前國際上同類設備僅有640根光纖……
鑒于項目涉及多項高難度的技術挑戰(zhàn)，曾有專家擔心LAMOST的創(chuàng)新方案能否付諸現(xiàn)實。1994年2月，正在歐洲南方天文臺參加VLT望遠鏡研制的主動光學專家崔向群，為了LAMOST的建設，毅然攜全家回國，全身心地投入到了LAMOST的工作中。LAMOST立項后，這位優(yōu)秀的女科學家擔任總工程師，領導了整個LAMOST望遠鏡的研制。
1998年4月，南京天文光學技術研究所開始了LAMOST核心關鍵技術———1米口徑六角形薄鏡面主動光學技術的攻關。這項技術的成功與否直接決定了LAMOST的成敗。經(jīng)過2400多個日日夜夜的奮力拼搏，在克服了波前傳感器、主動支撐、精密跟蹤、大氣視寧度改善等一系列技術難關后，于2004年11月取得突破性的進展，獲得成功。
此后，拼接鏡面主動光學技術、光纖定位技術、六邊形的施密特改正鏡MA子鏡的研制、8米直徑的高精度精密轉臺等一項項關鍵技術陸續(xù)獲得突破，最后于2008年8月完成全部安裝、調試，LAMOST這一宏大的具有世界前沿水平的大科學工程勝利完工。
到LAMOST身邊看個究竟
6月4日，是LAMOST項目接受國家發(fā)改委組織的專家驗收的日子。早上七時許，記者一行驅車從北京出發(fā)，沿京承高速往東北方向行駛，兩個多小時后到達國家天文臺興隆觀測基地。
在興隆縣城東北約五公里的山腳下，就可看到矗立在山頂上的銀白色龐然大物———一個頂部為半球形的大圓柱體連接著一個斜臥在兩個圓柱上的巨型長筒。整體建筑南北方向坐落，猶如一匹昂首飛天的白色駿馬。這就是蜚聲中外的LAMOST大型天文望遠鏡了。
汽車在山路上蜿蜒，興隆觀測基地被連綿起伏的燕山山脈包圍著。山頂上樹木蔥郁，空氣純凈，涼爽宜人。綠樹簇擁著的LAMOST距我們越來越近，顯得越來越大。
乘電梯上至五層，來到了LAMOST的半球形圓頂內，被稱為反射施密特改正鏡(也叫MA)的巨大圓形鏡面出現(xiàn)在眼前。MA由24塊六邊形的鏡片拼接而成，口徑是5.72米×4.40米。LAMOST項目總經(jīng)理、國家天文臺興隆觀測基地主任趙永恒對記者說，MA的作用是：接收來自宇宙深處的天體光譜光線，然后經(jīng)過自身的形變和反射，即篩選處理(所謂“改正鏡”便是此意)，將調整后的光線反射到球面主鏡(也叫MB)上。
球面主鏡設置在斜臥長筒內的高端，由37塊正六邊形鏡片拼接而成。球面主徑將來自改正鏡的光線進行成像聚焦，并投射在成像焦面上。
在直徑1.75米的成像焦面之上，密密麻麻地分布著4000根光纖探頭。這些探頭由8000個小型電機驅動，可以在觀測不同的天區(qū)時按照星表的位置快速將4000根光纖精確定位，即對準4000個天體。觀測時通過改正鏡MA的8米的跟蹤機架和焦面板的旋轉，精確跟蹤目標隨時調整方向，保證光纖探頭能始終對準星星。也就是說，望遠鏡看到的每個天體都由一個光纖探頭來對應成像，記錄其“DNA”信息。
光纖探頭所連接的終端是使天體像變成光譜的16臺光譜儀和記錄天體光譜的32臺CCD照相機。觀測控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)科學需求調整觀測計劃和對光譜進行分析，得到用于科學研究的光譜分析數(shù)據(jù)圖表，并記錄普查的天體光譜“戶口”供天文學研究使用。
當夜幕降臨時，LAMOST將打開圓形穹頂，來自遙遠宇宙中的星光由此進入到MA鏡面上。天文家們對浩瀚宇宙中一個個神秘天體的解讀便悄然開始。由于LAMOST實現(xiàn)了“大視場與大口徑兼?zhèn)洹�，在曝�?.5個小時內，可以觀測到20.5等的暗弱天體，同時最多獲得4000個天體的光譜。
正是這一明亮的“中國大眼睛”，將中國獲取天體信息的能力由“百萬級”提升到了“千萬級”。
巡天遙望河外星系
6月4日下午，LAMOST項目順利通過了國家發(fā)改委、科技部、國家檔案局、國家自然科學基金委員會等單位專家的竣工驗收。驗收專家認為，LAMOST全體人員全面優(yōu)質完成了工程建設任務，其中望遠鏡光學像質、跟蹤指向精度顯著優(yōu)于設計指標，LAMOST已具備甚至超過了預期能力，成為目前國際上口徑最大的大視場望遠鏡和光譜獲取率最高的望遠鏡。
此時，作為LAMOST工程建設領導小組組長的中科院常務副院長白春禮院士顯然心情激動。他說：“今年是國際天文年，紀念伽利略首次使用望遠鏡進行天文觀測400周年。400年來，天文望遠鏡經(jīng)歷了無數(shù)進步和創(chuàng)新，而LAMOST通過創(chuàng)造性地應用主動光學技術實現(xiàn)了用傳統(tǒng)方法無法實現(xiàn)的光學系統(tǒng)，開創(chuàng)了望遠鏡的一個新類型，使中國第一次在望遠鏡類型上占有一席之地！”
由于LAMOST，興隆，這個名不見經(jīng)傳的燕山山脈里的小地方，一時間成為天文學家心目中的圣地。
80多歲的國際著名天文光學家A.B.Meinel教授，是美國基特峰國家天文臺第一任臺長，亞利桑那大學光學科學中心創(chuàng)始人，曾任美國光學學會主席。他在得知LAMOST建成的消息后，在給項目總工程師崔向群的信中說：“如果我還年輕，現(xiàn)在我愿意和你們一起在興隆經(jīng)歷這個新概念望遠鏡的非常時期�！彼谛胖羞�說：“在高度競爭的國際科學界中，LAMOST以其強大的能力，可讓天文學家做出更好的工作來�！�
主動光學專家LotharNoethe博士，是歐洲南方天文臺42米極大口徑光學/紅外望遠鏡E-ELT光學部主任。他曾任4x8.2米望遠鏡VLT項目主動光學負責人。作為國際評估專家，他參加了2008年10月16日在興隆舉行的LAMOST落成典禮。當別的專家都離開的時候，他要求留下來體驗一下夜空群星璀璨時的LAMOST。當晚，L.Noethe在興隆觀測站與LAMOST項目人員一起跟星測試LAMOST主動光學系統(tǒng)控制望遠鏡光學成像質量的水平，測試完畢之后，他興奮地給崔向群打電話說，LAMOST的光學像質當晚達到0.2角秒，光學成像像質與歐洲4×8.2米甚大望遠鏡VLT相當。此后，他在給崔向群的E-MAIL中寫道：“我個人認為，望遠鏡不僅是一個科學儀器，還是一個光學設計創(chuàng)新的實驗臺。如果將來有建造一個更大的LAMOST的計劃，如建在南極，你們將可以顯示出LAMOST的光學像質能夠達到0.1角秒�！�
國際著名的天文學家、芝加哥大學的Don.York教授在接受美國《科學》雜志采訪時說：“由于LAMOST令人畏懼的技術挑戰(zhàn)，并不是每個中國的科學家都是傾心于LAMOST，但我是LAMOST的‘粉絲’”。
《LAMOST項目國際評估委員會報告》這樣評價道：“LAMOST獨一無二地結合了為數(shù)眾多的光纖、大視場以及大口徑望遠鏡幾個方面的優(yōu)勢，從而一定能夠在下個十年中的光譜巡天方面處于領先的地位。這一設備將使中國天文學家在銀河系和河外星系天文學等領域獲得無與倫比的科學研究機會。”
主動光學發(fā)明人、歐洲南方天文臺國際著名天文望遠鏡光學專家RayWilson說：“LAMOST不僅是惟一能使施密特望遠鏡的口徑增大的途徑，而且是主動光學的最先進和非凡的應用。”“LAMOST的成功，不但是中國科技的勝利，也將是整個國際天文界的勝利。”
專家指出，LAMOST的科學目標將集中在河外星系巡天、銀河系結構和演化以及多波段目標證認三個方面。LAMOST將對北天可觀測的約14000平方度高銀緯天區(qū)進行光譜巡天觀測，其中包括北、南銀冠區(qū)各250萬個恒星、250萬個星系的巡天，150萬個亮紅星系巡天和約100萬個類星體的觀測，這些資料將在宇宙模型、暗物質、暗能量、大尺度結構、星系形成和演化等研究上做出重大貢獻。
LAMOST巡天獲得的資料將對國內外天文學界公開。 |