MUST的“大眼睛”有望“看見”暗物質(zhì)

華凌

暗物質(zhì)和暗能量，被科學家比作“籠罩在21世紀物理學天空中的兩朵烏云”。暗物質(zhì)既有“穿墻術(shù)”又有“隱身術(shù)”，人類不僅肉眼看不到，甚至使用天文望遠鏡和電磁學手段觀測都無法捕捉到。為了探究它們，需要借助更先進的觀測設(shè)備和更精密的實驗技術(shù)。

寬視場巡天望遠鏡（MUST）項目應(yīng)運而生。日前，“第五代寬視場光譜巡天望遠鏡關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計驗證與研制”項目啟動暨實施方案論證會在江蘇江陰召開。清華大學牽頭聯(lián)合國內(nèi)外頂尖天文單位，將部署國際首臺新一代光譜巡天望遠鏡。

那么，MUST究竟具有怎樣的配置？與國內(nèi)外其他性能優(yōu)越的望遠鏡相比，有何特點？它將如何觀測暗物質(zhì)，解答暗物質(zhì)之謎？

在銀河系“邊疆”“考古”

業(yè)內(nèi)專家認為，目前宇宙學的發(fā)現(xiàn)和未來對暗能量、暗物質(zhì)的探索，迫切需要第五代寬視場光譜巡天望遠鏡。

天文學是一門極度依賴設(shè)備的學科，望遠鏡的性能很大程度上決定了科研水平。設(shè)計完成的MUST光學口徑達6.5米，可同時觀測至少2萬個天體的中高分辨率光譜，光譜覆蓋在0.36～1.0微米的寬光譜范圍。十年內(nèi)，MUST有望在暗能量、暗物質(zhì)、引力波宇宙學和星系形成等前沿領(lǐng)域取得重大的基礎(chǔ)性、原創(chuàng)性突破。

MUST項目經(jīng)理、清華大學天文系副主任蔡崢接受筆者采訪時介紹，在銀河系內(nèi)和鄰域宇宙中，MUST進行的恒星光譜巡天將幫助人們在銀河系的“邊疆”開展“考古”研究，揭示銀河系恒星的形成歷史，并對本星系群進行更細致入微的“人口普查”。

具體而言，MUST的核心科學目標是獲取更精確的宇宙學模型，進而探索暗能量的演化和暗物質(zhì)的本質(zhì)。它將開展高紅移大尺度結(jié)構(gòu)宇宙學巡天，更好地探索暗能量的起源和演化、宇宙暴漲時代，并探秘中微子質(zhì)量。同時，MUST也將利用星系巡天，更好地刻畫星系—暗物質(zhì)暈的物理關(guān)聯(lián)，并通過不同觀測探針探索暗物質(zhì)本質(zhì)。MUST還將開展前所未有的大規(guī)模星系與黑洞巡天，幫助更好地理解不同環(huán)境下的星系形成、星系—超大質(zhì)量黑洞的共同演化，以及獲取宇宙生態(tài)系統(tǒng)的物理圖像。

蔡崢說，相比國內(nèi)外已建成的望遠鏡，MUST在暗物質(zhì)研究上具有大口徑、大視場、高光譜分辨率和高效率的特點，其作為第五代光譜巡天望遠鏡能同時觀測更多天體，提高觀測效率和科學產(chǎn)出。

“MUST建成后，會成為中型地基望遠鏡最后一塊尚未完成的拼圖。相比目前世界上最高性能望遠鏡，其巡天綜合能力將提高10倍以上，有望取得國際一流成果。”蔡崢表示。

以新維度刻畫動態(tài)宇宙

MUST的光學系統(tǒng)具有優(yōu)越的成像質(zhì)量，猶如明亮的“大眼睛”探測深空。它將如何工作？

MUST項目科學家黃崧介紹，MUST將通過極大規(guī)模的星系和類星體紅移巡天，首次在宇宙學尺度上測量宇宙高紅移的星系光譜，得到宇宙早期的三維結(jié)構(gòu)。

此外，它還將開展小尺度、靈活的光譜巡天，獲取更精確的星系—暗物質(zhì)暈物理關(guān)聯(lián)模型、提高近鄰宇宙小尺度結(jié)構(gòu)對暗物質(zhì)本質(zhì)的限制、為超新星宇宙學和引力透鏡宇宙學提供高精度紅移下的數(shù)據(jù)支持、探索包括本地速度巡天在內(nèi)的新型宇宙學限制手段，更好地實現(xiàn)第五代宇宙學光譜巡天望遠鏡的使命。

性能優(yōu)異的MUST還將支撐更豐富、靈活的科學探索，如推動星系形成與演化的觀測研究，構(gòu)建更精確的銀河系結(jié)構(gòu)與演化模型。此外，它還可協(xié)助時域天文學，開啟光譜時域這一新的觀測參數(shù)空間，發(fā)現(xiàn)未知的新物理領(lǐng)域。

“MUST是一個面向國家基礎(chǔ)科學發(fā)展戰(zhàn)略需求、符合第五代宇宙學光譜巡天要求、有望在一系列重大關(guān)鍵科學問題上產(chǎn)生突破性成果，并且能系統(tǒng)持續(xù)開展戰(zhàn)略性、前瞻性和綜合性研究的大科學裝置與平臺，將力爭開展首個大規(guī)模時域光譜巡天。這不僅可以在新維度上刻畫動態(tài)宇宙，也將增強與其他多形式深空探測項目的協(xié)同效應(yīng)?！盡UST項目機械系統(tǒng)負責人郭利泉介紹。

筆者了解到，MUST之所以能有效開展第五階段宇宙學光譜巡天，是因為研究人員突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)難題。郭利泉介紹，研究人員通過對光譜儀進行多通道設(shè)計，解決寬波段覆蓋、高能量利用率、中高光譜分辨率之間的矛盾。同時，采用分色鏡將波段分割成多個通道，每個通道獨立設(shè)計色散元件、光譜成像和光電探測器。色散元件擬選用最新的透射式光柵或離子束刻蝕光柵，并根據(jù)每個通道的閃耀波長和光譜分辨率要求進行定制設(shè)計，從而在緊湊的空間結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)最高光柵衍射效率。項目整體集成化設(shè)計，解決了高海拔地區(qū)系統(tǒng)裝調(diào)測試難題。

預(yù)計2030年實現(xiàn)首光

“預(yù)計到2030年，MUST將實現(xiàn)首光。”清華大學精密儀器系激光與光子技術(shù)研究所所長、MUST項目總工程師黃磊說，“期待它在宇宙學研究和暗物質(zhì)、暗能量的觀測方面取得重大進展。”

黃磊分析，MUST兼具多目標光譜和成像光譜兩種功能，是世界最大光譜巡天望遠鏡，其強大的光譜獲取能力將對宇宙學基本參數(shù)、宇宙原初暴漲、暗物質(zhì)本質(zhì)、暗能量演化、時域天文學（如引力波電磁對應(yīng)體）、星系形成、系外行星和地外生命等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠影響。這些科學問題都是目前天文學和物理學的重大問題，也是國際天文界爭先解決、而且有可能在未來10～20年解決的問題。

此外，通過MUST對銀河系中恒星的視向速度的光譜測量，可以提升對于本地宇宙中暗物質(zhì)分布的測量精度，也有助于更好理解暗物質(zhì)在小尺度上產(chǎn)生的物理現(xiàn)象。

具體來說，通過MUST進行的銀盤恒星巡天，可以給出太陽系附近的銀河系暗物質(zhì)密度和速度分布的高精度測量結(jié)果。同時，對位于銀河系邊界的大量銀暈恒星的視向速度巡天可以進一步助力測量銀河系銀暈的形狀，并對銀河系的總暗物質(zhì)暈質(zhì)量給出更準確的限制。

黃磊表示，考慮到MUST光譜巡天的靈活性和持久性，它有望成為一個強大的“暗物質(zhì)天文臺”，獲得海量暗物質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)，與其他不同類型的暗物質(zhì)實驗和觀測一起，在未來20年內(nèi)為解答“究竟什么是暗物質(zhì)”這一問題作出重要貢獻。