魯賓天文臺：引領(lǐng)下一場天文學革命

下一場天文學革命就要到來了嗎？

前往“革命”的道路是一條長達35公里的狹窄、曲折的土路，道路的終點是海拔2682米的孤獨山頂，它位于世界第二高的安第斯山脈，被智利人煙稀少的干旱沙漠包圍著。

這里是回顧宇宙歷史的絕佳之地，每年能有256個晴朗的夜晚，來自幾百億光年外的光，可以沒有障礙地到達人類的巨大“眼睛”——一臺分辨率達32億像素的“世界上最大的數(shù)碼相機”，配備在直徑8.4米的望遠鏡主鏡上。望遠鏡每三天就可以“觀察”完整的南半球夜空，哈勃太空望遠鏡需要120年才能拍攝同樣面積的天空。

這就是耗資5億多美元、耗時9年建設(shè)的薇拉·魯賓天文臺，由美國國家科學基金會和美國能源部共同資助。今年5月，天文臺最重要的相機設(shè)備乘坐飛機跨越了赤道和1萬公里，從美國加州順利抵達智利，然后被小心翼翼地放入一座充滿棱角的多邊形建筑里。這種獨特的設(shè)計不同于常規(guī)的圓形穹頂型天文臺，外觀看起來充滿簡潔的未來感，從主鏡艙室延伸出來的細長結(jié)構(gòu)是天文臺的服務(wù)和運營大樓，整個建筑遠遠望去像一艘航行在太空中的艦艇，望遠鏡所在的“頭部”就是人類看向宇宙深處的“瞭望臺”。

就在今年10月28日，“巨眼”相機已捕捉到了第一批來自宇宙的測試數(shù)據(jù)，目前魯賓天文臺正在進行最后的組裝，預計2025年中期正式投入使用。一旦“巨眼”真正對準天空，就會開啟一次為期十年的大型巡天計劃，有望捕捉到“比之前所有天文望遠鏡看到的加起來還多的宇宙圖像”。這也意味著，人類可能補上神秘宇宙中最重要的幾塊未知拼圖：暗物質(zhì)、暗能量以及宇宙起源與演化的歷史，更重要的是，人類如何理解自身存在的方式。

“制作宇宙的數(shù)字彩色電影”

這是一棵可以被載入史冊的羅馬花椰菜。

它凹凸不平的表面上滿是球狀結(jié)構(gòu)，這些球狀凸起之上又分布著細細密密的小型凸起，乍一看很像沉寂已久的珊瑚巖——這些細節(jié)第一次如此精細地呈現(xiàn)在人類面前是2020年1月，在位于美國加州舊金山灣區(qū)的斯坦福直線加速器中心（SLAC）國家加速器實驗室里。

研究人員將一個特殊的“鏡頭”對準了花椰菜，然后拍下了這張分毫畢現(xiàn)的黑白數(shù)碼照片，這張照片擁有全球單次成像最高的32億像素，它的分辨率如此之高，必須用378塊4K超高清電視屏幕才能完整地展示出一張圖像。作為對比，一臺智能手機的相機鏡頭僅有2000萬像素。

這就是“巨眼”，一臺專為魯賓天文臺研發(fā)的“世界上最大的數(shù)碼相機”。它的體積相當于一輛小汽車，重約3000公斤，前鏡頭直徑達到1.65米，這些參數(shù)共同使它獲得了一張吉尼斯世界紀錄證書。與普通的數(shù)碼相機類似，它的核心構(gòu)件也是一個焦平面，由201個成像傳感器組成，主要負責捕捉物體發(fā)出或反射的光，再將其轉(zhuǎn)化為電信號，以此產(chǎn)生圖像。

但不同之處在于，這些傳感器的設(shè)計要遠比普通相機復雜得多，它們以一組九個的方式拼接到一起，就像一個巨大的馬賽克，單個傳感器的尺寸能達到71厘米，相比之下，一臺專業(yè)數(shù)碼單反相機的傳感器尺寸僅為35毫米。傳感器尺寸越大，感光面積越大，成像效果就越好，這是“巨眼”具有超強“視力”的重要原因，它甚至能看清24公里之外的一顆高爾夫球。

“相機越大，我們能看到的天空就越大?！盨LAC國家加速器實驗室粒子物理學和天體物理學教授、魯賓天文臺副主任兼相機項目負責人亞倫·魯?shù)侣f。他指出，魯賓天文臺望遠鏡不僅靈敏度極高，而且視野廣闊，可以同時覆蓋“相當于七個滿月”的天空區(qū)域，這些包含數(shù)十億顆恒星和星系的圖像將有助于揭開宇宙的秘密。

對地面的天文觀測者而言，天空是360度的，滿月只能占據(jù)0.5度，“七個滿月”約為3.5度，是天空中很小的一部分。但即便如此，對望遠鏡而言，這也是很大的突破，同樣位于智利的甚大望遠鏡（VeryLargeTelescope，英文縮寫為VLT）的視野范圍只有“兩個滿月”。

受訪專家指出，魯賓天文臺望遠鏡最大的優(yōu)勢是既可以觀測到更大范圍的天空區(qū)域，也可以捕捉到細節(jié)極其豐富的天體圖像，特別適合大規(guī)模巡天任務(wù)，研究宇宙演化、星系形成等“宏大的宇宙事件”。相較而言，著名的韋伯望遠鏡則擅長在紅外光譜下觀測，這使它能夠透過塵埃探測到遙遠的非常暗淡的物體，更適合對特定目標“解剖式”觀測，如研究特定的早期星系、恒星等對象，二者之間可以形成良性互補。

宇宙有很多爆裂瞬間，每時每刻都在發(fā)生著爆炸、坍縮、分裂與碰撞，這些事件中的大多數(shù)會被人類錯過，因為它們距離我們太遠了，發(fā)出的光很微弱，只有最“幸運”者才能恰巧捕捉到，因此，對天文學觀測而言，最重要的問題只有一個：如何在“對的時間”看向一片“對的天空”？

魯賓天文臺提出的“時空遺產(chǎn)調(diào)查”大型巡天計劃（LegacySurveyofSpaceandTime，英文縮寫為LSST）或許提供了一種可能的答案。這架大口徑、寬視場的望遠鏡將在六個波段對整個南半球夜空循環(huán)往復地地毯式掃描，靈巧的設(shè)計可以使鏡頭快速移動，短時間內(nèi)從一個目標天區(qū)切換到另一個目標天區(qū)，每個視野都會進行兩次15秒的曝光，每三天，就能完成對整個南半球天空的掃描。這意味著，每三天，天空的同一區(qū)域就能被重復觀測一遍，這一模式將持續(xù)十年，將進行約560萬次15秒長曝光，形成人類自有天文觀測以來“最寬、最快和最深的天空數(shù)據(jù)集”，比目前最大規(guī)模的巡天圖像庫還大數(shù)千倍。

這種調(diào)查策略的最特殊之處，正在于其高頻率的重復性，曝光的順序和節(jié)奏至關(guān)重要。過去的多項巡天計劃也都會對準很廣闊的天空，涵蓋從射電到伽馬射線的多個波段，但能做到魯賓天文臺這樣系統(tǒng)性的觀測是極其罕見的?！拔覀儗@得整個天空的深度影像，更為重要的是，能取得同一區(qū)域的延時攝影，看到哪些恒星的亮度有變化，小行星的移動軌跡是什么。”加州大學伯克利分校天體物理學家和宇宙學家、魯賓天文臺前項目主任史蒂文·坎恩對《中國新聞周刊》解釋。他強調(diào)，在十年內(nèi)，魯賓天文臺將對南半球天空的每個部分都進行約1000次成像。

“我們正在制作宇宙的數(shù)字彩色電影?！濒斮e天文臺首席科學家托尼·泰森說?！跋胂笠幌?，這樣的電影中，我們將能夠直接觀察到超新星的爆炸過程。這是此前人類從未有過的能力?！泵绹鴩铱茖W基金會魯賓天文臺項目主任艾德·阿賈爾對天文學的未來非常樂觀。

天文學家們預計，當魯賓天文臺望遠鏡2025年開始運行后，其持續(xù)性的天空掃描將“累積”出一部浩瀚而宏大的宇宙編年史影片。毫無疑問，魯賓天文臺將開啟下一代天文學革命，天文學將從圖像時代進入電影時代。

值得一提的是，伴隨著天文學進入電影時代，背后將涉及前所未有的海量數(shù)據(jù)。據(jù)天文學家測算，魯賓天文臺每晚將產(chǎn)生超過20TB（20萬億字節(jié)）的數(shù)據(jù)，10年內(nèi)將產(chǎn)生約60PB（1PB=1024TB）的數(shù)據(jù)，這是哈勃望遠鏡自1990年發(fā)射以來，34年內(nèi)拍攝到的所有圖像數(shù)據(jù)的100倍，是維基百科數(shù)據(jù)的100萬倍，這些數(shù)據(jù)必須經(jīng)過實時處理，才能轉(zhuǎn)化為研究對象，但這靠人力是不可能完成的。因此，天文學家的一個共識是：魯賓天文臺將促使天文學徹底進入大數(shù)據(jù)時代——這是一個早已開始的趨勢，AI算法在未來研究中會扮演越來越重要的角色。

實際上，早在LSST計劃確立之初，就已組建了專門的信息學與數(shù)據(jù)處理團隊，主要負責設(shè)計專門的算法來優(yōu)化數(shù)據(jù)處理過程，減少誤報，減輕繁重的計算負擔，并幫助天文學家識別值得研究的最佳事件對象。正式運行后，魯賓天文臺相機拍攝到的每張圖像從智利傳回加州只需要60秒，在赤道另一邊的實驗室里，AI算法將首先對圖像進行分析，判斷對象天體是否有任何值得記錄的移動或變化，然后再向研究人員發(fā)出警報。

“我們預計望遠鏡每晚會發(fā)出約1000萬條事件警報?！濒斮e天文臺的天文學推廣專家克萊爾·希格斯說，“這些警報包括天空中發(fā)生的任何變化，涵蓋一系列研究對象，如太陽系天體、小行星和超新星等，這就是機器學習如此重要的原因?！?/p>

正如“AI教母”李飛飛創(chuàng)建的計算機視覺識別領(lǐng)域的公開大型數(shù)據(jù)集ImageNet之于大模型的作用一樣，在天文學的大數(shù)據(jù)時代，數(shù)據(jù)的公開對研究上的突破同樣具有重大意義。希格斯指出，魯賓天文臺產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將每年發(fā)布給一組選定的天文學家，再過兩年，所有數(shù)據(jù)會全部開放給公眾，供全球科學界研究。

“稱量”宇宙

很多人的電腦桌面都曾用哈勃望遠鏡拍攝的宇宙圖片作為背景，瑰麗的玫瑰色宇宙中，除了引人矚目的閃爍點狀繁星外，有時還會遇到一些彎曲的弧線，這就是魯賓天文臺最想捕捉到的圖像之一，這些弧線很可能揭開暗物質(zhì)的神秘面紗。

在魯賓天文臺的四個主要科學目標中，探索暗物質(zhì)、理解暗能量排在首位，其他目標還包括測量太陽系、繪制銀河系地圖以及探索瞬態(tài)天文事件，這些任務(wù)都很重要，可以讓人類更了解“現(xiàn)有的宇宙”。但在所有目標中，對于暗物質(zhì)的探索是最深刻的，因為這種“看不見”的神秘物質(zhì)構(gòu)成了宇宙中85％的物質(zhì)，人類卻對其所知甚少。暗物質(zhì)是“宇宙中的大象”，如果真的捕捉到它，則可能顛覆“現(xiàn)有的宇宙”，創(chuàng)造“全新的宇宙”。

實際上，魯賓天文臺的命名正是源自美國女性天文學家薇拉·魯賓，這也是美國歷史上第一個以女性命名的天文臺。20世紀70年代，魯賓通過研究星系的運轉(zhuǎn)速度，發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的第一份確切證據(jù)，給當年的天文學界帶來了一次“地震”。近半個世紀后，今天的天文學家接棒了魯賓的任務(wù)。

尋找暗物質(zhì)的眾多物理學手段中，引力透鏡是一個很有效的工具。暗物質(zhì)既不發(fā)光，也不參與電磁相互作用，和其他天體相互關(guān)聯(lián)的唯一方式是通過引力。愛因斯坦早在1912年就提出引力能使光線彎曲，光就像穿過一個透鏡，或者說穿過一個“變焦鏡頭”。

天文學家很快發(fā)現(xiàn)，引力透鏡是探測暗物質(zhì)性質(zhì)的絕佳方式。一個引力透鏡事件中，來自遙遠星系的光，會被大質(zhì)量星系團的引力所吸引而導致扭曲，通過測量光線扭曲的程度，可以間接估算出星系團的質(zhì)量分布，其中大部分是暗物質(zhì)質(zhì)量。簡言之，我們可以利用引力透鏡繪制出宇宙中暗物質(zhì)的三維地圖。

哈勃望遠鏡2008年發(fā)布的圖像“阿貝爾2218”就是一張典型的引力透鏡照片。阿貝爾2218是位于天龍座、距離地球大約21億光年的一個星系團，它是一個強大的透鏡，可以放大隱藏在它背后的所有遙遠星系，這些星系的影像被扭曲為長短不一的各種弧線，有的呈藍色，有的呈橙色，遍布整個畫面。

引力透鏡分為兩種：強引力透鏡與弱引力透鏡，二者區(qū)別是引力引發(fā)的扭曲程度，強引力透鏡的扭曲效果更明顯，是理想的觀測對象，但極其罕見，需要星系團質(zhì)量巨大。通過望遠鏡觀測到的更多是弱引力透鏡，即只有微小的扭曲，但對這類事件的分析難度要大得多，需要首先排除其他干擾，時空并不是“平坦”的，布滿星際空間的各種氣體也會讓很多星系看起來扁平或細長。

因此，僅測量一個星系是遠遠不夠的，在識別上存在很大的不確定性，能有效排除干擾的唯一辦法就是大量的測量。據(jù)估算，魯賓天文臺可以探測到大約200億個星系，其中40億個星系將以非常高的精度成像。“這是人類首次觀測到這么多星系。天文學家估計，宇宙中可觀測到的星系理論上最多為1000億個，200億這個數(shù)字是非?？捎^的，可以讓統(tǒng)計結(jié)果更有力，盡可能接近對暗物質(zhì)質(zhì)量和性質(zhì)的精確推理。”坎恩解釋。

他指出，弱引力透鏡的測量一直非常困難，該領(lǐng)域的很多早期工作都受限于望遠鏡參數(shù)。他說，實際上，魯賓天文臺望遠鏡是有史以來第一臺設(shè)計中充分考慮到弱引力透鏡測量的望遠鏡，“我們非常小心地進行了模擬”，從相機到望遠鏡，再到大氣層，以了解可能影響弱引力透鏡測量效果的任何具體原因，不斷地優(yōu)化設(shè)計和校準。

魯賓天文臺LSST強透鏡科學合作主席菲爾·馬歇爾預估，十年調(diào)查期內(nèi)，魯賓天文臺可能會發(fā)現(xiàn)近1萬個各種尺寸和結(jié)構(gòu)的透鏡類星體，比目前天文學史上最大的引力透鏡調(diào)查還多出兩個數(shù)量級。不過，魯賓天文臺的優(yōu)勢不僅在于獲得足夠多的樣本，其“拍攝宇宙電影”的特殊能力，還可以捕捉到星系團隨時間的變化，進一步說，即暗物質(zhì)是如何隨宇宙時間而演變的，這將有助于深入研究暗物質(zhì)的性質(zhì)。

為何這些暗物質(zhì)會聚集成團塊并嵌入星系團，它們是逐漸集中在星系內(nèi)，還是填充了星系之間的廣闊空間？當星系之間相互碰撞時，暗物質(zhì)會發(fā)生碰撞，還是它們彼此不會注意到彼此，只是擦肩而過？“魯賓天文臺將以過去人類無法做到的方式打開宇宙時間?！瘪R歇爾強調(diào)。

暗物質(zhì)之外，暗能量是“宇宙房間中的另一只大象”，天文學家們早證實，我們所處的宇宙正加速膨脹，這種撕裂宇宙的神秘力量就是暗能量。如果說暗物質(zhì)是星系形成與匯聚的核心力量，暗能量則正好相反，這一對“大象”之間的拔河游戲共同塑造了當前的宇宙，因此，魯賓天文臺通過引力透鏡呈現(xiàn)的“宇宙時間切片”同樣有助于在宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)上進行暗能量研究。

這就是“稱量”宇宙。

我們究竟生活在什么樣的宇宙中？大爆炸后的幾分之一秒里，宇宙非常熱且致密，質(zhì)子和中子分解成夸克，物質(zhì)、能量與時間在這個過程中不斷伸展，隨后，宇宙迅速膨脹和冷卻，原子、原子核、分子以及氣體逐步形成，氣體凝聚成星云，星云進一步形成各種各樣的恒星和星系，經(jīng)過大約140億光年，最終演變成人類今天所看到的宇宙。而對暗物質(zhì)和暗能量的研究可以跨越140億光年，讓人類回到宇宙最初誕生的時刻。

這一點之所以如此重要，是因為人類雖然是時間性的動物，卻一直在嘗試超越時間。這也是天文學家們的終極科學目標。

坎恩指出，天文學的一大優(yōu)點是有明確的理論預測，然后試圖通過“稱量”宇宙來驗證預測，這種方法類似于實驗物理學。但更令人興奮的一點是，每當人類建造更大、更好的望遠鏡時，總會發(fā)現(xiàn)各種從未想象到的新的事物。