探索天文，他們的征途是星辰大海

應(yīng)琛

激光測距望遠鏡。

作為我國歷史最悠久的天文臺，中國科學院上海天文臺成立于1962年，其前身是1872年建立的徐家匯天文臺與1900年建立的佘山天文臺。叩問2020年的宇宙蒼穹，陣陣回響喚起驚奇與敬畏無數(shù)。其中不少成果與上海天文臺有關(guān)——

其牽頭的中國甚長基線干涉測量（VLBI）網(wǎng)與現(xiàn)有航天測控網(wǎng)，承擔了“天問一號”火星探測器與“嫦娥五號”探測器各飛行段的測定軌及定位任務(wù)，為國家重大任務(wù)做出了重要貢獻;積極承擔北斗三號信息處理系統(tǒng)、激光測距分系統(tǒng)和時間頻率系統(tǒng)等研制工作，交付的16臺組網(wǎng)衛(wèi)星星載氫鐘運行狀態(tài)穩(wěn)定良好，為北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)運行提供了保障……

在探索宇宙和推進重大國際合作方面，依托上海天文臺建設(shè)的中國空間站工程巡天望遠鏡長三角地區(qū)科學中心已正式啟動;順利完成科技部SKA科學專項“宇宙黎明和再電離探測”方向的立項，完成了中國SKA區(qū)域中心原型機升級改造;與美國NASA續(xù)簽空間大地測量合作協(xié)議。

“天文學作為最古老的學科，是一個需要長期積累的學科。從某種意義上來說，它沒有終極答案，很多問題的答案都值得天文工作者窮盡一生去追求和探索?！敝袊茖W院上海天文臺臺長沈志強在接受《新民周刊》采訪時表示，宇宙還人類以新知，并以更多未知引領(lǐng)人類遙望未來，即將邁入第一個甲子之年的上海天文臺也將繼續(xù)在浩瀚星海中乘風破浪。

從“探月”到“奔火”

上海天文臺前臺長洪曉瑜研究員，從“嫦娥一號”開始就與月球結(jié)下了不解之緣。

月球遠在38萬公里之外，當探測器發(fā)射后進入深空，飛到哪里，飛行路線是否合乎預定軌道，中途是否需做調(diào)整，這些關(guān)鍵信息都非常重要。在整個測控系統(tǒng)中，上海天文臺牽頭的中國VLBI網(wǎng)與現(xiàn)有航天測控網(wǎng)一起進行精密測定軌道，為探測器保駕護航。

洪曉瑜告訴記者，測量衛(wèi)星軌道有兩大要素：一是距離，二是方向。他們主要承擔后者的測量工作，提供衛(wèi)星在飛行過程中精密的方位角信息，協(xié)助測控系統(tǒng)進行軌道測量和確定。

所謂VLBI，是一項高精度測角技術(shù)，在月球與深空探測器快速、高精度定軌和定位方面，有著不可或缺的重要作用。我國的VLBI測軌分系統(tǒng)由北京站、上海站、昆明站和烏魯木齊站以及位于上海天文臺的VLBI數(shù)據(jù)處理中心組成。這樣一個網(wǎng)所構(gòu)成的望遠鏡分辨率相當于口徑為3000多千米的巨大的綜合口徑射電望遠鏡，測角精度可以達到百分之幾角秒。

回顧VLBI技術(shù)在探月工程的應(yīng)用，十七年的艱辛過程歷歷在目。洪曉瑜坦言，VLBI測軌分系統(tǒng)開始承擔探月工程任務(wù)時，遇到很多困難：一是要克服天文觀測設(shè)備老舊和不穩(wěn)定的特點，要嚴格按照航天工程的要求，提高設(shè)備運行的可靠性和穩(wěn)定性;二要發(fā)展適應(yīng)我國探月工程的VLBI測軌新技術(shù)和新方法，滿足測量精度指標要求;三是要解決數(shù)據(jù)實時傳輸和計算的要求。

以“嫦娥二號”發(fā)射升空期間為例，洪曉瑜和VLBI中心內(nèi)的科研人員一起堅守在操作臺。40多名科研人員分兩班倒，差不多每天凌晨3點半就進場準備并展開衛(wèi)星觀測，然后將觀測數(shù)據(jù)進行處理，提供衛(wèi)星軌道的數(shù)據(jù)。每天傍晚，中心的指揮負責人員還要開會總結(jié)當天工作，布置第二天的任務(wù)。而且，一旦北京中心作出調(diào)整安排，上海方面必須隨時跟進……

而在嫦娥五號的任務(wù)中，VLBI團隊在動態(tài)雙目標同波束VLBI技術(shù)方面獲得重大突破，成功支持了月面降落、我國首次月面起飛、世界首次月球軌道無人交會對接、樣品月地返回等復雜、關(guān)鍵、高難度測控任務(wù)，并發(fā)揮了不可替代的作用。

“目前我們還在支持我國首次火星探測任務(wù)‘天問一號測軌工作?！焙闀澡け硎?。2月10日晚，“天問一號”成功實施“制動捕獲”，隨后順利進入大橢圓環(huán)火軌道。在這個過程中，VLBI測軌分系統(tǒng)始終全力護航。

VLBI 測軌分系統(tǒng)的示意圖。

“天問一號”任務(wù)VLBI分系統(tǒng)天馬站參試人員。

相對探月工程來說，“天問一號”飛得特別遠，任務(wù)執(zhí)行起來有不同的感覺，“比如，嫦娥探測器變軌的時候，信號我們一直能看到，但（天問一號）火星探測器變軌后，一段時間內(nèi)我們是看不到信號的，因為太遠了，且有時候（探測器）飛到火星背面，隱約會有種滯后的感覺”。

為了滿足“天問一號”的測定軌要求，VLBI測軌分系統(tǒng)團隊完成了40多臺套軟件和硬件的研發(fā)、測試和現(xiàn)場安裝;成立了90多人的試驗隊，持續(xù)開展了火星探測VLBI高精度測定軌技術(shù)研究和測試驗證。到目前為止，VLBI測軌分系統(tǒng)任務(wù)執(zhí)行情況順利，VLBI的測量精度及執(zhí)行任務(wù)的能力大幅提高。

洪曉瑜透露，2月是“天問一號”集中測控的重要弧段，有中途修正，軌道機動和三次火星捕獲。在這次集中測軌期間，VLBI測軌分系統(tǒng)需要每天觀測，上海天文臺90多名試驗隊員全都放棄了春節(jié)休假，堅守崗位。

從“探月”到“奔火”，可以說，射電天文這一基礎(chǔ)科學領(lǐng)域的長期積累在國家重大工程中的突出貢獻已經(jīng)得到了高度認可。洪曉瑜也期待著在探月四期，以及深空探測的后續(xù)任務(wù)中，能進一步提升射電天文觀測技術(shù)，為探索宇宙空間做出新貢獻。

記者從上海天文臺了解到，為滿足探月四期和深空探測的VLBI測軌任務(wù)需求，探月四期規(guī)劃在西藏日喀則和吉林長白山各建一臺40米口徑射電望遠鏡的VLBI測站，與現(xiàn)有的四臺站（分別布局在上海、北京、昆明和烏魯木齊）組網(wǎng)實現(xiàn)對兩個空間目標的同時高精度跟蹤測量，更好地完成后續(xù)工程項目的VLBI測定軌任務(wù)。

沈志強表示，作為VLBI測軌分系統(tǒng)的牽頭單位，上海天文臺將負責兩個新臺站的建設(shè)，并將結(jié)合天文觀測需求，綜合規(guī)劃，發(fā)展我國VLBI網(wǎng)，按時完成工程建設(shè)任務(wù)，使我國的VLBI測定軌和天文高分辨率觀測都更上一層樓，不斷探索宇宙奧秘。

服務(wù)國家重大戰(zhàn)略

如今，VLBI在探月工程和火星探測中已經(jīng)大顯身手。但回想起在探月工程規(guī)劃以前，沈志強坦言，VLBI是深藏閨中不為外界所知，“上世紀70年代初，當中國科學院院士、著名天文學家、老臺長葉叔華提出要建設(shè)中國VLBI網(wǎng)時，這項技術(shù)其實并不被看好”。

原來即便是涉足這一領(lǐng)域最早的美國和加拿大，其理論和技術(shù)當時也都處于起步摸索階段;再者，建成VLBI網(wǎng)絡(luò)至少需要在國內(nèi)選址建造兩臺直徑至少25米的射電望遠鏡，這需要巨大的經(jīng)費支撐，對于那時的中國，也可謂難上加難。

沈志強說，正是葉先生不懈的努力和戰(zhàn)略的眼光，讓上海天文臺和中國天文界，迅速趕上了上世紀八九十年代國際天文從經(jīng)典觀測轉(zhuǎn)向現(xiàn)代觀測的潮流。

而亞洲第一的射電望遠鏡——天馬望遠鏡（上海65米射電望遠鏡）的建成，也是上海天文臺抓住了機會。

作為該項目首席科學家，沈志強告訴記者，65米口徑射電望遠鏡的建成，標志著我國深空探測定軌能力進入了一個更高層次，顯著提升了我國天文觀測研究的整體實力和國際地位。

2012年建成后，天馬望遠鏡圓滿完成了嫦娥三號以及此后的探月工程衛(wèi)星的測軌任務(wù)。同時，它在射電天文、地球動力學和空間科學等多種學科中也成為我國乃至世界上一臺主干觀測設(shè)備。

在沈志強看來，VLBI的加入大幅提高了月球探測器測定軌測定位能力，對我國的月球和深空探測工程具有深遠的影響。而我國VLBI本身也在探月工程的支持下，得到了空前的壯大與發(fā)展，反過來又促進了射電天文的迅猛發(fā)展。

2009年，北斗三號工程正式啟動建設(shè)。經(jīng)過一系列的技術(shù)升級，北斗三號相較于北斗二號在信號質(zhì)量、衛(wèi)星廣播軌道和鐘差精度、電離層模型改正精度以及定位精度都有了大幅的提升。在去年北斗三號最后一顆衛(wèi)星入網(wǎng)工作中，上海天文臺北斗團隊繼續(xù)在“最強大腦”“強心臟”和“量天尺”三個方面為北斗保駕護航。

中科院上海天文臺研制的被動型星載氫原子鐘，1000萬年才誤差1秒。

中國科學院上海天文臺天文地球動力學研究中心主任胡小工告訴《新民周刊》記者，時間和空間位置信息，都是一個國家重要的戰(zhàn)略資源。要實現(xiàn)分米級、厘米級的導航定位精度，北斗衛(wèi)星必須有一顆強勁而靠譜的“心臟”——星載原子鐘，同時還要有一個敏銳清醒的“大腦”——信息處理系統(tǒng)。

2002年，上海天文臺在多年研制地面主動型氫原子鐘的基礎(chǔ)上，啟動了被動型星載氫原子鐘的研究。2015年，由他們完成的我國首臺星載氫原子鐘，隨新一代北斗導航衛(wèi)星升空。五年來，跟隨北斗衛(wèi)星上天的氫鐘性能不斷提升，且已完全實現(xiàn)元器件、原材料、核心技術(shù)的自主可控。據(jù)介紹，目前，上海天文臺的科研人員已研制出更加輕巧的北斗“心臟”：成功將氫鐘從23公斤減重到13公斤，將用于北斗補網(wǎng)衛(wèi)星。

有了強勁“心臟”外，還需“最強大腦”。胡小工表示，為了實現(xiàn)北斗三號精密定位服務(wù)性能指標，在區(qū)域地面布站等不利條件下，上海天文臺團隊首次提出并實現(xiàn)了區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)+星間鏈路的星地星間聯(lián)合精密定軌技術(shù)，并特別設(shè)計了聯(lián)合定軌數(shù)據(jù)處理算法的穩(wěn)健性和容錯性。

在這個過程中，胡小工帶領(lǐng)團隊經(jīng)歷了“從科學家到工程師”的轉(zhuǎn)型。但最終，這套信息處理系統(tǒng)實現(xiàn)了實時修正誤差，多備份，能保持高可靠度，空間信號精度優(yōu)于GPS系統(tǒng)。

此外，為進一步演算北斗精度，上海天文臺還研制了一把特制的激光“量天尺”——國內(nèi)首套可移動式全天時衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)，最遠測距可達38800千米，成功應(yīng)用于北斗衛(wèi)星厘米級精度激光測距。

天馬望遠鏡（65米射電望遠鏡）。

黑洞研究又一個里程碑

為山九仞，豈一日之功。沈志強也深知，上海天文臺之所以能夠參與諸多國家重大工程的科研工作，離不開深厚的基礎(chǔ)研究做支撐，“這背后其實是隱含了很多基礎(chǔ)的前沿科學”。

多年來，上海天文臺努力為研究人員，尤其是青年人才，創(chuàng)造更好的科研環(huán)境。一項項成果不斷涌現(xiàn)：提出了磁主導噴流的解析模型;建立了目前最優(yōu)的活動星系核反饋物理模型;首次解釋了活動星系核反饋導致星系團中的富金屬外流現(xiàn)象;首次在伽馬射線能段發(fā)現(xiàn)月級的耀變體準周期振蕩光變，揭示了耀變體噴流的螺旋結(jié)構(gòu);獲得更精確的銀河系塵埃整體分布尺度;利用65 米射電望遠鏡發(fā)現(xiàn)300 個甲醇脈澤源……

3月24日22點，事件視界望遠鏡（EHT）合作組織發(fā)布了M87超大質(zhì)量黑洞的最新照片：它在偏振光下的影像。

為了觀測M87星系的中心，該合作組織將世界各地的八臺望遠鏡連接起來，創(chuàng)建了一個虛擬的類似地球大小的望遠鏡——EHT。EHT的分辨本領(lǐng)相當于在地球上看清月面一張信用卡所需的分辨率。來自全球多個組織和大學的300多名研究人員參與了這項研究。上海天文臺牽頭組織協(xié)調(diào)包括8位臺內(nèi)研究人員在內(nèi)的國內(nèi)學者參與了此次的EHT合作。

2019年4月10日，EHT團隊發(fā)布了有史以來第一張黑洞照片，揭示了一個明亮的環(huán)狀結(jié)構(gòu)及其黑暗的中央?yún)^(qū)域——黑洞的陰影。當時的照片看上去像一個溫暖的橙色“甜甜圈”，而這次的影像則顯示出了“甜甜圈”更為細膩的結(jié)構(gòu)——如同一輪逆時針旋轉(zhuǎn)的煙花。

經(jīng)過近兩年的深入研究，科學家對人類首次“看見”的那個黑洞，成功繪制出偏振圖像。北京時間3月24日22時，包括中國在內(nèi)的多國科學家合作的相關(guān)研究論文，發(fā)表在國際權(quán)威期刊《天體物理學雜志通訊》。

據(jù)了解，這些順滑流暢的曲線意義重大。EHT合作組成員之一的沈志強認為，首先它透露了黑洞邊緣的光是如何產(chǎn)生的，“我們可以推斷出，黑洞周圍有相對論性的氣體，它們運動速度很快，相對論性電子在磁場里運動會產(chǎn)生同步輻射”，現(xiàn)在觀測結(jié)果證明它就是來自同步輻射。

而對于研究黑洞的天文學家來說，這項工作是一個重要的里程碑：偏振光所攜帶的信息能讓我們更好地理解2019年4月發(fā)布的首張黑洞圖像背后的物理機制。此次偏振觀測的結(jié)果還提供了有關(guān)黑洞外緣磁場結(jié)構(gòu)的新信息。研究團隊發(fā)現(xiàn)，只有以強磁化氣體為特征的理論模型，才能解釋在事件視界看到的情況。

這幅全新的黑洞及其陰影的EHT偏振圖像，使天文學家首次成功探究黑洞外緣區(qū)域——在那里，物質(zhì)可能被吸入或被噴射出來。

此次偏振觀測的結(jié)果還提供了有關(guān)黑洞外緣磁場結(jié)構(gòu)的新信息。研究團隊發(fā)現(xiàn)，只有以強磁化氣體為特征的理論模型，才能解釋在事件視界看到的情況。

沈志強表示，根據(jù)現(xiàn)在偏振觀測結(jié)果，黑洞外緣磁場還有很多方面有待研究，天文學家需要更加清晰細致的觀測結(jié)果。

目前，EHT正在通過對陣列進行技術(shù)升級和增加新的觀測臺站，來進一步提升分辨本領(lǐng)。未來，EHT觀測能更準確地揭示黑洞周圍的磁場結(jié)構(gòu)，并告訴人們更多關(guān)于這一區(qū)域熱氣體的物理性質(zhì)。

除EHT項目外，還有越來越多的國際科研合作項目正在開展。就如同當年認定不能錯失“VLBI”一樣，上海天文臺從一開始就特別關(guān)注平方公里射電陣（SKA）項目，“中國不能錯失‘SKA”，沈志強說。

所謂“SKA”，是一個總接受面積達平方公里的巨型射電望遠鏡陣列，由世界各國的數(shù)千個較小的射電望遠鏡組成，每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量預計是當下全球互聯(lián)網(wǎng)總流量的10倍。宇宙的起源和演化、銀河系結(jié)構(gòu)、行星的形成和分布......這些待解“謎團”的“鑰匙”或許就在SKA里。

（本文圖片由中國科學院上海天文臺提供）