墨子巡天望遠鏡開啟天文巡天觀測研究

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近日，墨子巡天望遠鏡正式開啟天文巡天觀測研究。該望遠鏡是截至目前全球成像巡測能力最強的大視場光學(xué)巡天望遠鏡，也是冷湖天文觀測基地已建成的望遠鏡群中口徑最大的望遠鏡。

北天球最強“星空攝像師”的開工，將為時域天文學(xué)研究帶來新機遇。那么，什么是時域天文學(xué)？墨子巡天望遠鏡的哪些特性可為時域天文學(xué)研究賦能？帶著這些問題，科技日報記者采訪了相關(guān)專家。

10月17日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院紫金山天文臺、深空探測實驗室和青海省人民政府聯(lián)合共建的墨子巡天望遠鏡項目團隊向科技日報記者介紹了時域天文學(xué)的研究意義與發(fā)展方向。

“宇宙并非一成不變，而是動態(tài)演化著的。宇宙中有很多天體，當(dāng)它們的物理、化學(xué)等性質(zhì)發(fā)生變化時，相應(yīng)變化會反映在形態(tài)、光度、光譜特征等方面。例如造父變星，當(dāng)它演化到了不穩(wěn)定的階段，其大氣層會發(fā)生周期性的膨脹或收縮，從而使光度發(fā)生周期性改變?！必撠?zé)望遠鏡活動星系核觀測科學(xué)目標(biāo)的薛永泉介紹，這種光變的周期性使得造父變星成為非常寶貴的“量天尺”。著名天文學(xué)家哈勃通過觀測造父變星，發(fā)現(xiàn)宇宙并非是靜態(tài)的，而是在不斷膨脹，這個發(fā)現(xiàn)是宇宙熱大爆炸理論的重要觀測基礎(chǔ)。

負責(zé)望遠鏡太陽系天體觀測科學(xué)目標(biāo)的趙海斌補充道：“太陽系天體在空間中運動的同時也會伴隨著光度的變化，例如小行星、彗星等的自轉(zhuǎn)和大行星衛(wèi)星的互掩互食?！?/p>

墨子巡天望遠鏡紫金山天文臺總指揮吳雪峰認為，時域天文學(xué)在過去10多年已經(jīng)成為天文學(xué)和相關(guān)物理研究的重大突破方向，在超新星宇宙學(xué)、引力波直接測量、系外行星發(fā)現(xiàn)等重要領(lǐng)域產(chǎn)出了一批重大科學(xué)突破。時域天文學(xué)和基礎(chǔ)物理的前沿交叉課題，如暗能量及暗物質(zhì)的本質(zhì)、宇宙起源、廣義相對論驗證、量子引力模型驗證等密切相關(guān)，已成為基礎(chǔ)物理發(fā)展的重要驅(qū)動力。

值得一提的是，未來10年至20年，時域天文學(xué)將成為國際天文學(xué)引領(lǐng)性、“金礦”型的重大前沿科學(xué)領(lǐng)域。吳雪峰說，時域天文學(xué)也是我國天文界具有廣泛共識的重點發(fā)展方向，在基礎(chǔ)研究、技術(shù)研發(fā)、學(xué)科發(fā)展和國家戰(zhàn)略及需求層面都具有重要意義。

墨子巡天望遠鏡中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)總設(shè)計師孔旭告訴記者，墨子巡天望遠鏡是當(dāng)前全球投入運行的成像巡天能力最強的光學(xué)時域巡測設(shè)備。它具有2.5米的大口徑，可收集到來自遙遠宇宙深空的光子；配備大面陣7.65億像素高分辨率拼接CCD（即電荷耦合器件）探測器；具有6.5平方度的大視場，可通過對同一天區(qū)的高頻次反復(fù)掃描，捕捉稍縱即逝的天文現(xiàn)象（即暫現(xiàn)源）。

不僅如此，孔旭還介紹，墨子巡天望遠鏡憑借其強大的光學(xué)時域天文觀測能力，可與我國地面的大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠鏡（郭守敬望遠鏡）、500米口徑球面射電望遠鏡（“中國天眼”）、高海拔宇宙線觀測站（“拉索”）等大型設(shè)備和其他中小口徑望遠鏡開展多波段協(xié)同觀測。這一方面可以從多波段提高暫現(xiàn)源尤其是短時標(biāo)暫現(xiàn)源的發(fā)現(xiàn)率，另一方面還可獲得這些暫現(xiàn)源及其宿主星系的實時譜能量分布。未來幾年，隨著中國新一代空間天文觀測設(shè)施陸續(xù)發(fā)射升空，墨子巡天望遠鏡將與這些設(shè)施實現(xiàn)“天地一體化多波段巡天”的網(wǎng)絡(luò)搭建。

可以預(yù)見的是，墨子巡天望遠鏡的投運，將為時域天文學(xué)研究帶來無限可能。對此，望遠鏡首席科學(xué)家王挺貴介紹，墨子巡天望遠鏡計劃開展首期六年的巡天任務(wù)，預(yù)計產(chǎn)生約3PB的數(shù)據(jù)，獲得數(shù)十萬條多波段光變曲線。此外，數(shù)據(jù)中還包括弱透鏡形狀目錄，其中有超過2億個星系的測光紅移和形狀信息、約4萬個測光選擇的星系團等。把這些成像數(shù)據(jù)疊加，將會得到研究銀河系、星系形成和宇宙學(xué)的寶貴資源。

事實上，對于時域天文學(xué)的研究并非一帆風(fēng)順。墨子巡天望遠鏡紫金山天文臺總設(shè)計師楊戟亦向記者坦言，其研究過程中存在一些困難。

他表示，現(xiàn)代時域天文學(xué)觀測需要設(shè)備視場足夠大、反應(yīng)足夠快、曝光足夠深、波段足夠?qū)?。近年來，高能暫現(xiàn)源的觀測越來越受到人們的關(guān)注。快速射電暴、引力波事件、伽馬射線暴等高能爆發(fā)事件對應(yīng)的暫現(xiàn)源天體往往持續(xù)時標(biāo)很短，只有毫秒到小時量級，它們在天空中一閃而逝。

所以，現(xiàn)代時域天文觀測需要協(xié)調(diào)從空間到地面不同電磁波段、不同宇宙信使的探測器，開展協(xié)同觀測。這就需要望遠鏡設(shè)備對不同觀測設(shè)施的暫現(xiàn)源觸發(fā)信號具有快速自動響應(yīng)、自動觀測，并立即開展實時數(shù)據(jù)處理的能力。這些技術(shù)瓶頸，正是科學(xué)家們今后一段時期亟待攻克的方向之一。

墨子巡天望遠鏡副總設(shè)計師、大視場巡天科學(xué)研究團組首席研究員鄭憲忠介紹，截至目前，世界范圍內(nèi)已不乏其他時域天文望遠鏡“巡測星空”。

比如，斯隆數(shù)字巡天是歷史上最雄心勃勃、最具影響力的巡天項目之一，該項目使用2.5米口徑專用望遠鏡獲得了數(shù)百萬星系、類星體和恒星的光譜；卡特林那巡天系統(tǒng)使用3臺寬視場望遠鏡在33000平方度的天區(qū)尋找罕見的明亮?xí)含F(xiàn)源；維拉·C·魯賓天文臺位于南半球的智利，預(yù)計將于近一兩年投入使用，該天文臺將配備一臺8.4米口徑的旗艦寬視場巡天望遠鏡，預(yù)計r波段30秒曝光極限星等達到24.5等。

“值得一提的是，墨子巡天望遠鏡可與維拉·C·魯賓天文臺大型綜合巡天望遠鏡在天區(qū)覆蓋上互補，實現(xiàn)全天時域監(jiān)測。”鄭憲忠說。