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國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)基地的大天區(qū)面積多目標(biāo)光譜天文望遠(yuǎn)鏡(英文簡(jiǎn)稱(chēng)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(bào)記者 杜躍進(jìn) 攝 |
| 編者按：溫家寶總理曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，一個(gè)民族有一些關(guān)注天空的人，他們才有希望；一個(gè)民族只是關(guān)心腳下的事情，那是沒(méi)有未來(lái)的。
寥廓無(wú)垠的星空，看上去是離我們最遙遠(yuǎn)的所在。但對(duì)星空的探索，卻使人類(lèi)不斷地豐富著自己，就這個(gè)意義而言，星空又離我們很近。天文學(xué)從來(lái)就不是一門(mén)孤立的科學(xué)，不僅是近代科學(xué)革命的搖籃，也是推動(dòng)人類(lèi)進(jìn)步的源泉之一。今天，天文學(xué)作為一門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科，對(duì)其他自然科學(xué)的發(fā)展起著極大的推動(dòng)作用，研究成果直接服務(wù)于國(guó)防、通訊、導(dǎo)航、測(cè)地、預(yù)報(bào)自然災(zāi)害等領(lǐng)域。
中國(guó)的天文學(xué)家們經(jīng)過(guò)努力拼搏，研制出了世界上口徑最大的大視場(chǎng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，LAMOST以其中國(guó)原創(chuàng)的新概念和新方法，極具創(chuàng)新的技術(shù)和工藝，代表了我國(guó)大型光學(xué)精密儀器的最高水平，成為我國(guó)科技領(lǐng)域自主創(chuàng)新的典范。她使人類(lèi)觀測(cè)天體光譜的數(shù)目提高至千萬(wàn)量級(jí)，使我國(guó)在該領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先地位。
中國(guó)的天文學(xué)家們將借助LAMOST巡天遙看億萬(wàn)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(guó)大眼睛”
宇宙是怎樣形成的？宇宙中數(shù)以百億計(jì)的星系是如何構(gòu)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?yuàn)W的問(wèn)題始終縈繞在古今中外無(wú)數(shù)哲人、詩(shī)人和科學(xué)家的心頭。
古希臘哲學(xué)家泰勒斯，長(zhǎng)時(shí)間沉浸在對(duì)天空星辰的觀察中，結(jié)果不小心掉進(jìn)了水坑里，有人笑話(huà)他只專(zhuān)注天空而忘了腳下的路。后來(lái)，他利用觀察天空的知識(shí)推測(cè)出橄欖樹(shù)必獲豐收，結(jié)果賺了一大筆錢(qián)。諸葛亮夜觀天象借東風(fēng)大戰(zhàn)赤壁，已成為代代相傳的千古佳話(huà)。18世紀(jì)偉大的哲學(xué)家康德曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“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(xué)家們從未停止過(guò)對(duì)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(guó)際天文界：一雙在地面上可以觀測(cè)無(wú)垠星空的眼睛———由中科院國(guó)家天文臺(tái)承擔(dān)的國(guó)家重大基礎(chǔ)科學(xué)工程項(xiàng)目———大天區(qū)面積多目標(biāo)光譜天文望遠(yuǎn)鏡(英文簡(jiǎn)稱(chēng)LAMOST)，在國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)基地誕生。
2009年6月4日，耗資2.3億元的LAMOST項(xiàng)目順利通過(guò)了國(guó)家發(fā)展改革委組織的竣工驗(yàn)收。
天文學(xué)家的描述是：LAMOST是目前世界上口徑最大的大視場(chǎng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，也是世界上光譜獲取率最高、最有威力的光譜巡天望遠(yuǎn)鏡。LAMOST以其大視場(chǎng)、大口徑以及多目標(biāo)光譜的探測(cè)能力，在跟隨地球自轉(zhuǎn)和隨太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的過(guò)程中，可以對(duì)整個(gè)北天球及部分南天球進(jìn)行掃描探測(cè)。
這是一項(xiàng)由中國(guó)天文學(xué)家自主設(shè)計(jì)、國(guó)際領(lǐng)先的技術(shù)創(chuàng)新。
獲取更多星辰的“身份密碼”
盡管科學(xué)技術(shù)在不斷發(fā)展進(jìn)步，但科學(xué)家們還是不得不承認(rèn)，迄今為止，科學(xué)只描述了宇宙的極小部分。在浩瀚的宇宙中，人類(lèi)已經(jīng)認(rèn)識(shí)的普通物質(zhì)只占4%，而人類(lèi)所不了解的暗物質(zhì)和暗能量各占22%和74%。
美國(guó)科學(xué)技術(shù)委員會(huì)提出的新世紀(jì)要解決的十一個(gè)科學(xué)難題中，暗物質(zhì)和暗能量分別排名第一和第二。科學(xué)家們認(rèn)為，揭開(kāi)暗物質(zhì)和暗能量之謎，將是繼哥白尼的地心說(shuō)、牛頓的萬(wàn)有引力定律和愛(ài)因斯坦的相對(duì)論之后，人類(lèi)認(rèn)識(shí)宇宙的另一次飛躍，并有可能引發(fā)現(xiàn)代物理學(xué)新的革命。
探測(cè)暗物質(zhì)和暗能量，“光譜巡天”是重要的手段之一。這是因?yàn)�，天體光譜中蘊(yùn)涵著豐富的物理信息，就像生物體的基因密碼DNA一樣。人們?nèi)绻芙邮盏竭@些信息并對(duì)它們進(jìn)行分析，就可以解讀遙遠(yuǎn)天體的基本情況，知道這些天體的距離、構(gòu)成、分布以及運(yùn)動(dòng)速度等等。
可是，受觀測(cè)手段的制約，在數(shù)以百億計(jì)的天體中，人們只對(duì)其中的約萬(wàn)分之一進(jìn)行過(guò)光譜測(cè)量。要加強(qiáng)對(duì)未知宇宙的探測(cè)和研究，大量天體光學(xué)光譜的獲取便成為關(guān)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(cè)多個(gè)天體光譜的技術(shù)，同時(shí)還必須具備兩個(gè)條件：一是觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)必須足夠大；二是觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡的口徑也要足夠大。如果用照相機(jī)作比喻，大視場(chǎng)就相當(dāng)于廣角，口徑相當(dāng)于焦距。
就口徑和視場(chǎng)而言，目前世界上的天文望遠(yuǎn)鏡可大致分為兩種：一種是大口徑望遠(yuǎn)鏡，主要用于天體的細(xì)節(jié)觀測(cè)，其視場(chǎng)很難做大；另一種是大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡，可同時(shí)巡天觀測(cè)很多天體，但口徑卻很難做大，因而很難觀測(cè)到暗弱的天體“大視場(chǎng)兼?zhèn)浯罂趶健保情L(zhǎng)期以來(lái)天文望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的一個(gè)難題，也是眾多天文學(xué)家迫切希望解決的問(wèn)題。
魚(yú)與熊掌能否兼得？LAMOST試圖解決這一世界級(jí)難題。
獨(dú)具特色的“中國(guó)大眼睛”
上世紀(jì)90年代，世界天文學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展。為了在競(jìng)爭(zhēng)激烈的國(guó)際天文學(xué)前沿占有一席之地，我國(guó)天文學(xué)家王綬琯院士、蘇定強(qiáng)院士等針對(duì)天文研究中“大規(guī)模天文光譜觀測(cè)嚴(yán)重缺乏”這一情況，提出了“大視場(chǎng)與大口徑兼?zhèn)洹钡奶煳耐h(yuǎn)鏡新概念及LAMOST的初步方案。方案創(chuàng)造性地將40多米長(zhǎng)的鏡筒固定，并用主動(dòng)光學(xué)技術(shù)(即鏡面可控，實(shí)時(shí)變化)來(lái)實(shí)時(shí)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(chǎng)望遠(yuǎn)鏡成為可能。這一巧妙的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，突破了國(guó)際上光學(xué)望遠(yuǎn)鏡大口徑和大視場(chǎng)難以兼?zhèn)涞钠款i。后經(jīng)中科院國(guó)家天文臺(tái)南京天文光學(xué)技術(shù)研究所所長(zhǎng)崔向群研究員、中國(guó)科技大學(xué)褚耀泉教授等人進(jìn)一步的研究細(xì)化和論證，形成了LAMOST的具體方案。
將LAMOST這一優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，意味著大量世界級(jí)技術(shù)難題的攻克：首次在一塊大鏡面上同時(shí)應(yīng)用薄變形鏡面主動(dòng)光學(xué)技術(shù)和拼接鏡面主動(dòng)光學(xué)技術(shù)，并控制鏡面面形精度達(dá)頭發(fā)絲的數(shù)千分之一；首次實(shí)現(xiàn)六角形的主動(dòng)可變形鏡;首次在一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中同時(shí)采用兩塊大口徑的拼接鏡面；首次應(yīng)用并行可控的4000根光纖的定位技術(shù)，而目前國(guó)際上同類(lèi)設(shè)備僅有640根光纖……
鑒于項(xiàng)目涉及多項(xiàng)高難度的技術(shù)挑戰(zhàn)，曾有專(zhuān)家擔(dān)心LAMOST的創(chuàng)新方案能否付諸現(xiàn)實(shí)。1994年2月，正在歐洲南方天文臺(tái)參加VLT望遠(yuǎn)鏡研制的主動(dòng)光學(xué)專(zhuān)家崔向群，為了LAMOST的建設(shè)，毅然攜全家回國(guó)，全身心地投入到了LAMOST的工作中。LAMOST立項(xiàng)后，這位優(yōu)秀的女科學(xué)家擔(dān)任總工程師，領(lǐng)導(dǎo)了整個(gè)LAMOST望遠(yuǎn)鏡的研制。
1998年4月，南京天文光學(xué)技術(shù)研究所開(kāi)始了LAMOST核心關(guān)鍵技術(shù)———1米口徑六角形薄鏡面主動(dòng)光學(xué)技術(shù)的攻關(guān)。這項(xiàng)技術(shù)的成功與否直接決定了LAMOST的成敗。經(jīng)過(guò)2400多個(gè)日日夜夜的奮力拼搏，在克服了波前傳感器、主動(dòng)支撐、精密跟蹤、大氣視寧度改善等一系列技術(shù)難關(guān)后，于2004年11月取得突破性的進(jìn)展，獲得成功。
此后，拼接鏡面主動(dòng)光學(xué)技術(shù)、光纖定位技術(shù)、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(zhuǎn)臺(tái)等一項(xiàng)項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)陸續(xù)獲得突破，最后于2008年8月完成全部安裝、調(diào)試，LAMOST這一宏大的具有世界前沿水平的大科學(xué)工程勝利完工。
到LAMOST身邊看個(gè)究竟
6月4日，是LAMOST項(xiàng)目接受?chē)?guó)家發(fā)改委組織的專(zhuān)家驗(yàn)收的日子。早上七時(shí)許，記者一行驅(qū)車(chē)從北京出發(fā)，沿京承高速往東北方向行駛，兩個(gè)多小時(shí)后到達(dá)國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)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(gè)頂部為半球形的大圓柱體連接著一個(gè)斜臥在兩個(gè)圓柱上的巨型長(zhǎng)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(yuǎn)鏡了。
汽車(chē)在山路上蜿蜒，興隆觀測(cè)基地被連綿起伏的燕山山脈包圍著。山頂上樹(shù)木蔥郁，空氣純凈，涼爽宜人。綠樹(shù)簇?fù)碇腖AMOST距我們?cè)絹?lái)越近，顯得越來(lái)越大。
乘電梯上至五層，來(lái)到了LAMOST的半球形圓頂內(nèi)，被稱(chēng)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(xiàng)目總經(jīng)理、國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)基地主任趙永恒對(duì)記者說(shuō)，MA的作用是：接收來(lái)自宇宙深處的天體光譜光線(xiàn)，然后經(jīng)過(guò)自身的形變和反射，即篩選處理(所謂“改正鏡”便是此意)，將調(diào)整后的光線(xiàn)反射到球面主鏡(也叫MB)上。
球面主鏡設(shè)置在斜臥長(zhǎng)筒內(nèi)的高端，由37塊正六邊形鏡片拼接而成。球面主徑將來(lái)自改正鏡的光線(xiàn)進(jìn)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(gè)小型電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以在觀測(cè)不同的天區(qū)時(shí)按照星表的位置快速將4000根光纖精確定位，即對(duì)準(zhǔn)4000個(gè)天體。觀測(cè)時(shí)通過(guò)改正鏡MA的8米的跟蹤機(jī)架和焦面板的旋轉(zhuǎn)，精確跟蹤目標(biāo)隨時(shí)調(diào)整方向，保證光纖探頭能始終對(duì)準(zhǔn)星星。也就是說(shuō)，望遠(yuǎn)鏡看到的每個(gè)天體都由一個(gè)光纖探頭來(lái)對(duì)應(yīng)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(tái)光譜儀和記錄天體光譜的32臺(tái)CCD照相機(jī)。觀測(cè)控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)科學(xué)需求調(diào)整觀測(cè)計(jì)劃和對(duì)光譜進(jìn)行分析，得到用于科學(xué)研究的光譜分析數(shù)據(jù)圖表，并記錄普查的天體光譜“戶(hù)口”供天文學(xué)研究使用。
當(dāng)夜幕降臨時(shí)，LAMOST將打開(kāi)圓形穹頂，來(lái)自遙遠(yuǎn)宇宙中的星光由此進(jìn)入到MA鏡面上。天文家們對(duì)浩瀚宇宙中一個(gè)個(gè)神秘天體的解讀便悄然開(kāi)始。由于LAMOST實(shí)現(xiàn)了“大視場(chǎng)與大口徑兼?zhèn)洹保谄毓?.5個(gè)小時(shí)內(nèi)，可以觀測(cè)到20.5等的暗弱天體，同時(shí)最多獲得4000個(gè)天體的光譜。
正是這一明亮的“中國(guó)大眼睛”，將中國(guó)獲取天體信息的能力由“百萬(wàn)級(jí)”提升到了“千萬(wàn)級(jí)”。
巡天遙望河外星系
6月4日下午，LAMOST項(xiàng)目順利通過(guò)了國(guó)家發(fā)改委、科技部、國(guó)家檔案局、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)等單位專(zhuān)家的竣工驗(yàn)收。驗(yàn)收專(zhuān)家認(rèn)為，LAMOST全體人員全面優(yōu)質(zhì)完成了工程建設(shè)任務(wù)，其中望遠(yuǎn)鏡光學(xué)像質(zhì)、跟蹤指向精度顯著優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)，LAMOST已具備甚至超過(guò)了預(yù)期能力，成為目前國(guó)際上口徑最大的大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡和光譜獲取率最高的望遠(yuǎn)鏡。
此時(shí)，作為L(zhǎng)AMOST工程建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組組長(zhǎng)的中科院常務(wù)副院長(zhǎng)白春禮院士顯然心情激動(dòng)。他說(shuō)：“今年是國(guó)際天文年，紀(jì)念伽利略首次使用望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行天文觀測(cè)400周年。400年來(lái)，天文望遠(yuǎn)鏡經(jīng)歷了無(wú)數(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新，而LAMOST通過(guò)創(chuàng)造性地應(yīng)用主動(dòng)光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了用傳統(tǒng)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的光學(xué)系統(tǒng)，開(kāi)創(chuàng)了望遠(yuǎn)鏡的一個(gè)新類(lèi)型，使中國(guó)第一次在望遠(yuǎn)鏡類(lèi)型上占有一席之地！”
由于LAMOST，興隆，這個(gè)名不見(jiàn)經(jīng)傳的燕山山脈里的小地方，一時(shí)間成為天文學(xué)家心目中的圣地。
80多歲的國(guó)際著名天文光學(xué)家A.B.Meinel教授，是美國(guó)基特峰國(guó)家天文臺(tái)第一任臺(tái)長(zhǎng)，亞利桑那大學(xué)光學(xué)科學(xué)中心創(chuàng)始人，曾任美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)主席。他在得知LAMOST建成的消息后，在給項(xiàng)目總工程師崔向群的信中說(shuō)：“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(gè)新概念望遠(yuǎn)鏡的非常時(shí)期�！彼谛胖羞�說(shuō)：“在高度競(jìng)爭(zhēng)的國(guó)際科學(xué)界中，LAMOST以其強(qiáng)大的能力，可讓天文學(xué)家做出更好的工作來(lái)�！�
主動(dòng)光學(xué)專(zhuān)家LotharNoethe博士，是歐洲南方天文臺(tái)42米極大口徑光學(xué)/紅外望遠(yuǎn)鏡E-ELT光學(xué)部主任。他曾任4x8.2米望遠(yuǎn)鏡VLT項(xiàng)目主動(dòng)光學(xué)負(fù)責(zé)人。作為國(guó)際評(píng)估專(zhuān)家，他參加了2008年10月16日在興隆舉行的LAMOST落成典禮。當(dāng)別的專(zhuān)家都離開(kāi)的時(shí)候，他要求留下來(lái)體驗(yàn)一下夜空群星璀璨時(shí)的LAMOST。當(dāng)晚，L.Noethe在興隆觀測(cè)站與LAMOST項(xiàng)目人員一起跟星測(cè)試LAMOST主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)控制望遠(yuǎn)鏡光學(xué)成像質(zhì)量的水平，測(cè)試完畢之后，他興奮地給崔向群打電話(huà)說(shuō)，LAMOST的光學(xué)像質(zhì)當(dāng)晚達(dá)到0.2角秒，光學(xué)成像像質(zhì)與歐洲4×8.2米甚大望遠(yuǎn)鏡VLT相當(dāng)。此后，他在給崔向群的E-MAIL中寫(xiě)道：“我個(gè)人認(rèn)為，望遠(yuǎn)鏡不僅是一個(gè)科學(xué)儀器，還是一個(gè)光學(xué)設(shè)計(jì)創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)臺(tái)。如果將來(lái)有建造一個(gè)更大的LAMOST的計(jì)劃，如建在南極，你們將可以顯示出LAMOST的光學(xué)像質(zhì)能夠達(dá)到0.1角秒�！�
國(guó)際著名的天文學(xué)家、芝加哥大學(xué)的Don.York教授在接受美國(guó)《科學(xué)》雜志采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)：“由于LAMOST令人畏懼的技術(shù)挑戰(zhàn)，并不是每個(gè)中國(guó)的科學(xué)家都是傾心于LAMOST，但我是LAMOST的‘粉絲’”。
《LAMOST項(xiàng)目國(guó)際評(píng)估委員會(huì)報(bào)告》這樣評(píng)價(jià)道：“LAMOST獨(dú)一無(wú)二地結(jié)合了為數(shù)眾多的光纖、大視場(chǎng)以及大口徑望遠(yuǎn)鏡幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)，從而一定能夠在下個(gè)十年中的光譜巡天方面處于領(lǐng)先的地位。這一設(shè)備將使中國(guó)天文學(xué)家在銀河系和河外星系天文學(xué)等領(lǐng)域獲得無(wú)與倫比的科學(xué)研究機(jī)會(huì)�！�
主動(dòng)光學(xué)發(fā)明人、歐洲南方天文臺(tái)國(guó)際著名天文望遠(yuǎn)鏡光學(xué)專(zhuān)家RayWilson說(shuō)：“LAMOST不僅是惟一能使施密特望遠(yuǎn)鏡的口徑增大的途徑，而且是主動(dòng)光學(xué)的最先進(jìn)和非凡的應(yīng)用�！薄癓AMOST的成功，不但是中國(guó)科技的勝利，也將是整個(gè)國(guó)際天文界的勝利�！�
專(zhuān)家指出，LAMOST的科學(xué)目標(biāo)將集中在河外星系巡天、銀河系結(jié)構(gòu)和演化以及多波段目標(biāo)證認(rèn)三個(gè)方面。LAMOST將對(duì)北天可觀測(cè)的約14000平方度高銀緯天區(qū)進(jìn)行光譜巡天觀測(cè)，其中包括北、南銀冠區(qū)各250萬(wàn)個(gè)恒星、250萬(wàn)個(gè)星系的巡天，150萬(wàn)個(gè)亮紅星系巡天和約100萬(wàn)個(gè)類(lèi)星體的觀測(cè)，這些資料將在宇宙模型、暗物質(zhì)、暗能量、大尺度結(jié)構(gòu)、星系形成和演化等研究上做出重大貢獻(xiàn)。
LAMOST巡天獲得的資料將對(duì)國(guó)內(nèi)外天文學(xué)界公開(kāi)。 |