ＬＡＭＯＳＴ，掃描宇宙的中國巨眼

　　由中國自主研制并建造的LAMOST，以其大視場、大口徑以及多目標光譜的探測能力，在跟隨地球自轉和隨太陽公轉的過程中，可以對整個宇宙進行全方位的掃描探測。
　　
　　2008年，中國國家重大基礎科學工程項目——由中科院國家天文臺承擔的LAMOST(大天區面積多目標光譜天文望遠鏡)在國家天文臺興隆觀察基地誕生。2008年末，LAMOST的落成被評為“2008年度十大科技進展新聞”之一；2009年2月初，LAMOST再次被評為“2008年度十大基礎研究新聞”之一。
　　在人類文明史上關于星空的故事，可以講上一籮筐。比如古希臘哲學家泰勒斯，一味地抬頭專注天空星辰的觀察，結果不小心掉進水坑里，仆人笑話他只專注天空而忘了腳下的路，他自己也一笑置之。來年，他利用觀察天空的知識推測出橄欖枝必得豐收，結果賺了一大筆錢，成為哲學史上的千古佳話。18世紀偉大的哲學家康德曾經這樣說過，“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。”神秘的星空召喚著人類無限的好奇和探索的熱情，正是在這召喚之下，人類的文明得以傳承和發展。
　　
　　望遠鏡與天文學
　　
　　17世紀初，伽利略利用荷蘭商人發現的透鏡原理，發明了第一架望遠鏡。當他把這個望遠鏡投向月球的時候，第一次看到了以往人們認為完美無缺的月球“以上”的天空其實是有瑕疵的：月亮有斑斑點點的東西——環形山、木星有4個衛星、太陽有太陽黑子。這些驚人的發現打破了中世紀以前人們對天空的認識，即亞里士多德的宇宙體系——亞里士多德認為月球以上的天空，是由完美的物質組成的不朽的“水晶體”天球，在當時人們用肉眼能觀察到的五大行星鑲嵌在相應的水晶體天球上，天界(月上區)和地界(月下區)的區別由此形成。伽利略利用自制的望遠鏡，否定了亞里士多德關于天空和宇宙的認識，導致一場科學史上的“革命”，開普勒、牛頓等人的天文學和經典物理學也應運而生。當然，那時候的科學先驅，觀察天空的最重要的動力，除了人類最原始的求知欲和好奇心，就是能帶來額外收入并且充滿神秘氣息的“占星術”，這個以天空星體的運轉來預測人間大事和人生命運的行業，為許多天文學家解決了衣食之憂，也讓諸如牛頓這樣近代科學的開源者神馳忘返。而天文學以及“占星術”的發展，不得不歸功于新的觀測工具的使用，即天文望遠鏡。天文望遠鏡的發明和使用，打開了人類寬廣宏大的視野，為人類探索宇宙提供了無限的資源。
　　伽利略發明的第一架望遠鏡，只有3倍的放大率，即只能把遠處的物體放大3倍，第二架和第三架分別能放大8倍和20倍。1609年，伽利略制造出了可以放大30倍的望遠鏡，正是利用這個望遠鏡對準了天空，他才發現了以前人們用肉眼看不到的驚人的秘密。伽利略使用的是折射式望遠鏡，也就是說光線必須透過透鏡成像，這種望遠鏡受到透鏡鏡片的諸多限制，會產生色像差，對宇宙天體的成像質量會產生難以消除的影響。牛頓在望遠鏡的研制方面起到了重大的作用，他改進了原來慣用的折射式望遠鏡的不足，于1668年發明了第一臺反射式望遠鏡，這架望遠鏡雖然只有2.5cm的口徑，卻可以清晰地看到木星的衛星、金星的盈虧。反射7pgS9jRFWFV4B/OuN1JwDg==式望遠鏡原理的提出，為后來折反射式望遠鏡的發明提供了有力的支持。折反射式望遠鏡也叫施密特望遠鏡，由20世紀30年代德國光學家施密特發明，它結合了折射和反射原理的優點，因此目前世界上的大型光學天文望遠鏡，都采用了施密特設計的原理。我國自發研制的LAMOST也叫反射施密特望遠鏡，所以也屬于是施密特望遠鏡范疇。
　　時至今日，人們對宇宙的認識已經達到了亙古未有的水平。雖然某些像研究星座這樣有關天上人間相互對應和聯系的神秘學說，始終沒有終結過，但是科學界乃至普通民眾，對天空和宇宙的結構與形成，都有接近常識的觀念。現代天文學以其大量的觀測數據和合乎數據的理論模型推測出，宇宙起源于一場大爆炸。比如斯蒂芬·霍金等20世紀最杰出的科學家，對宇宙大爆炸的過程進行了較為詳細的描述；而諸如紅移現象、哈勃定律、宇宙背景輻射等天文學領域確鑿的事實，為宇宙大爆炸理論提供了有力的支持。因此，越來越多的人相信，我們生存的宇宙確實起源于一場大爆炸。在關于宇宙起源的探索中，望遠鏡給科學家提供了大量的數據和無限的資源，可以說，天文學的發展依賴于望遠鏡技術的發展，而宇宙大爆炸理論為望遠鏡的數據觀察和處理提供了理論依據。
　　目前坐落在地球之上的大型光學天文望遠鏡主要有：美國夏威夷的凱克望遠鏡(Keckl、Ke&2)，這是一對口徑達10m、設置在一起、完全相同的望遠鏡，目的是為了作干涉試驗；歐洲南方天文臺在智利建造的巨型望遠鏡(VLT)，這是由4臺排列在一條線上口徑分別是8m的望遠鏡，它們組合在一起形成了一臺等效口徑達16m的大型望遠鏡，以美國為首建造的分別位于北半球的夏威夷和南半球的智利的雙子望遠鏡(GEMINI)，分別由兩個8m的望遠鏡組成，可以進行全天系統的觀察。這幾臺大型光學天文望遠鏡都是在20世紀末建成并投入使用的。而我國于1993年提出，并于2001年正式施工的重大天文項目LAMOST天文望遠鏡，也可謂緊跟世界步伐，備受世界關注。
　　
　　LAMOST工作環境和歷史延承
　　
　　1957年，從法國留學歸來的天文學家程茂蘭先生踏遍北京附近的燕山山脈，就是為了尋找新中國第一個理想的天文觀測基地。幾經坎坷，總算定址在了距河北興隆縣城10公里左右的連營寨。興隆縣地處燕山深處，遠離塵埃、偏僻而安靜、四季天空如洗，正是適合天文觀測的地方。從選址到基建，再經幾代天文工作者的努力，興隆觀測基地不斷發展壯大，目前擁有50cm以上口徑的天文望遠鏡9臺，其中包括我國最大、世界領先的大型望遠鏡LAMOST。
　　20世紀末是國際天文史上興建大型天文望遠鏡數量最多的時期，我國天文學界深感國內天文望遠鏡的水平之不足，以中科院院士王綬瑁、蘇定強為首的研究集體提出了LAMOST研究項目，建議我國自主建造具有國際領先水平的大型光學天文望遠鏡。這個提議最終在2001年獲得國家計劃委員會批準開工興建。歷時7年，終于在2008年10月落成，而這一年也是興隆觀測站建站40周年。
　　在中科院國家天文臺翟萌博士的陪同下，記者搭乘臺里的班車由北京出發趕赴興隆觀測基地。出了北京之后向東北方向沿著前行，約莫2個多小時到達興隆縣城，再向前行駛5公里左右，抵達興隆觀測基地的山腳下。在山下就可以看到銀白色的巨型建筑——一個半球形封頂的圓柱體和一個斜著支撐在兩個圓白柱子上蟬翼般長筒，長筒南北方向坐落，斜指蒼穹。整個建筑采用流線型設計，美麗而壯觀，這便是和觀測站里其它小型望遠鏡造型均異的LAMOST大型天文望遠鏡。翟萌告訴記者，由于白天會受到太陽光的影響，天文觀測一般都在天氣晴朗的夜晚進行(射電望遠鏡觀測除外)，因此白天看到的望遠鏡完全處于封閉的狀態，在觀測的夜晚，半球形圓頂就會打開，長筒的低端也會打開，因此處于工作狀態的LAMOST望遠鏡在白天是看不到的。
　　隨車上得山來，感覺山頂空氣清新、風景秀麗，現代化的觀測基地矗立在和諧、靜謐的環境之中。據說，天文望遠鏡最忌諱塵埃和多余的光線，因為塵埃落在鏡面上會影響成像效果，并且磨損鏡面；而地球上的城市燈光污染會湮沒來自宇宙遠處的光線，觀測完全不能進行。所以，基地不燒鍋爐，全部用電能取暖、照明、做飯；每到觀測的夜晚，四周漆黑一片，只有燦爛的星空呈現在宇宙“巨眼”之前，一次對蒼穹的解讀開始了……
　　
　　LAMOST如何工作?
　　
　　人們之所以能看到物體，是因為攜帶物體信息的光線進入人的眼睛并在視網膜上成像。如果人的眼睛出了問題，比如近視眼或者遠視眼，只要配戴上合適的眼睛，仍可以清晰地看到我們周圍的物體。然而，人眼睛的視力范圍是有限的，我們不能直接看得太過切近細小(比如細菌、細胞)，也不能直接看得太過遙遠宏大(比如銀河系外的星系、月亮上的環形山)。為了解決這些問題，人類發明了顯微鏡和望遠鏡，它們與近視眼鏡和遠視眼鏡對改善人類眼睛的視力方面，作用是類似的。
　　當攜帶有宇宙深處天體信息的光線傳到地球上的時候，已經是十分微弱的了。這些光線正如生物體的“DNA'’，它們可以標識出天體的組成成分、天體離我們的距離等等，我們若是能接收到它們并且進行物理光譜分析，就可以解讀遙遠天體的基本情況。
　　LAMOST的半球形圓頂內，設置有稱為反射施密特改正鏡(也叫Ma)，它由24塊正六邊形的鏡片拼接而成，有效通光口徑達3.6～4.9m。其作用是：接收來自宇宙深處的天體光譜光線，然后經過自身的形變和反射，即篩選處理(所謂“改正”鏡便是此意)，將調整后的光線反射到球面主鏡(也叫MB)上。
　　球面主鏡是整體建筑的另外一個重要部分，它設置在長筒之中，由37塊正六邊形鏡片拼接而成。其作用是：將來自改正鏡的光線進行聚焦，并投射在成像焦面上。如果把焦面比作一張電影屏幕的話，那么望遠鏡所觀測到的宇宙深處的局部就可以在屏幕上清晰地成像。然而，在LAMOST的焦面之，上，卻不是簡單的一張屏幕或膠片，而是密密麻麻分布著的光纖探頭。
　　分布在直徑達1.75m的圓盤上的焦面光纖探頭，像馬蜂窩上勞碌的工蜂，唯一的區別就是缺少嗡嗡嚶嚶的噪聲。這些探頭達4000個之多，每一個都是可以活動的(小型電機驅動)，并且在觀測時隨著目標的轉變而隨時調整方向，每一個探頭對應的是一個天體，即是說，望遠鏡看到的每個天體都由一個光纖探頭來對應成像，記錄其“DNA”信息。
　　光纖探頭所連接的終端是觀測控制和數據處理系統，配有16臺光譜儀和32臺CCD相機，負責光譜記錄和分析，用于科學研究的光譜分析數據圖表由此得到。至此，作為一臺大型光學天文望遠鏡的LAMOST基本工作原理也就介紹完畢了。
　　這臺完全由我國自主研制的天文望遠鏡，具備許多領先世界水平的技術和特點。
　　其一，鏡面拼接技術。在制造望遠鏡的過程中，對鏡片的要求是最高的。鏡片越大，相應口徑也就越大，這樣看到的天區光信息越多，也就是說功能越強大；但是鏡片越大，研磨起來越困難，對技術的要求越高，即是說大鏡片意味著高成本和高技術。如果使用拼接鏡片，造價低，但是技術的要求會更高。LAMOST工程總工藝師李國平研究員說，“由于我們在投資初期受到資金的限制，所以在設計的過程中，兩個主要鏡面都使用了拼接技術，這在目前為止大型天文望遠鏡設計史上是沒有前例的，誰也沒有想到，缺錢卻促發了我們技術的創新，壞事最終變成了好事。”李國平研究員帶領記者參觀了兩個巨大的拼接鏡面，每個正六邊形的鏡片單元后面都有相應的加力操縱系統，可以隨時進行微調，達到整體協調一致的效果。
　　其二，鏡面支撐系統的桁架結構。雖然在天文觀測的過程中，球面主鏡是固定不變的，變化的僅僅是每個鏡片單元的焦距和整個球面鏡的焦距，可以通過給鏡片背面加力形變達到效果，但是改正主鏡在觀察的整個過程中卻要進行旋轉移動；而且球面主鏡和改正鏡本身也不能太過厚重，因為太重會造成自身的重力形變，從而影響拼接鏡面的焦距和成像質量。LAMOST設計時使用了桁架結構。最大的好處就是輕盈易控，便于操作。李國平研究員說，這種結構是現代建筑技術和天文精密要求結合的產物，也是設計中最為值得稱道的創新之一。可以這么說，如果沒有桁架結構，那么兩個拼接鏡面的調整和協調就會相當困難。
　　其三，焦面光纖裝置。LAMOST在焦面上設計了4000個光纖探頭，可以同時對4000個天體進行光譜采集，是目前世界上同時獲取光譜目標最多的望遠鏡，在國際天文望遠鏡行列中遙遙領先。李國平告訴記者，目前國際上能同時獲取最多天體光譜目標的數目是600個(美國新墨西哥州Apache Point觀測站數字巡天SDSS望遠鏡)，LAMOST一下子達到了4000個，可謂望遠鏡史上長足的進展。當記者問道，在我國研制的望遠鏡上，這個數目能否更多些的時候，李國平研究員回答說，技術上當然可以，只是沒有太大的必要。
　　其四，大視場和大口徑兼備。王綬琯和蘇定強院士最初的設計理念是，鑒于國際國內天文觀測缺乏“大規模天文光譜觀測”，所以提議建造一臺“大口徑和大視場兼備的多目標光譜天文望遠鏡”，這個初衷在LAMOST之中得到了完美的體現。所謂望遠鏡的視場，也稱視野、視界，指在一定距離內所能清楚觀測到的范圍的大小；口徑是指望遠鏡通光的直徑大小，口徑越大接收的光線也就越多，信息量越大。但是，在一般望遠鏡的設計中，如果其它參量不變，那么口徑的大小和視場的大小是成反比的。以南京天文光學技術研究所為首的LAMOST技術研究人員突破了傳統天文望遠鏡的藩籬，在改正鏡上大做文章，終于設計出了大視場和大口徑兼備的、世界首例的主動光學系統，調和了以往視場和口徑兼備的矛盾。李國平告訴記者，由于采用了調節施密特改正鏡的方法，隨時對鏡片加力變形以及調整桁架結構的位置，以適應不同天體的特殊狀況，這樣，我國在世界上首創了一種新類型的天文望遠鏡——反射施密特天文望遠鏡。在理論上講，這種望遠鏡可以同時實現任意大的口徑和視場。
　　
　　在地球上掃描宇宙
　　
　　美麗的星空何其迷人，給人類無限的遐想和無盡的思索。生命來自哪里?宇宙起源于何處?宇宙中數以百計的星系又是如何形成和演化?地球所在的銀河系是何種結構、如何運作?這些基本卻又深奧的問題，都是千百年來人類不懈探求的迷夢。
　　從宇宙深處的天體發射而來的光譜，攜帶大量表征天體物理特性的信息，比如，星系的光譜可以給出它們的距離、構成、分布以及運動狀況；恒星的光譜則可以確定它們的物理結構、化學組成、光度、溫度以及演化歷史等。LAMOST以其大視場、大口徑以及多目標光譜的探測能力，在跟隨地球自轉和隨太陽公轉的過程中，可以對整個宇宙進行全方位的掃描探測。我國天文學界對LAMOST的科學目標定位包括三個方面：河外星系巡天、銀河系結構和演化、多波段目標認證。在介紹LAMOST的小冊子上有這樣一段專業的描述：
　　“LAMOST將對北天可觀測的約i4000平方度高銀緯天區進行光譜巡天觀測，其中包括北、南銀冠區各250萬個星系的巡天、150萬個亮紅星系巡天和約100萬個類星體的觀測，這些資料將在宇宙模型、暗物質、暗能量、大尺度結構、星系形成和演化等研究上做出重大貢獻。同時，它將對250萬顆恒星進行光譜觀測，用之于研究，包括銀河系暈的整體結構及亞結構、銀河系的引力勢與物質分布、從薄盤、厚盤到暈的結構特征、銀河系球狀星團來源及其與銀河系結構的關系、銀河系恒星金屬豐度分類及貧金屬星的搜尋等幾個大的方向。LAMOST也將結合紅外、射電、X射線、伽馬射線巡天的大量天體的光譜觀測將在各類天體多波段交叉證認上做出重大貢獻。”
　　從上面的描述可以看到，LAMOST的科ebe3a718a41adf69239af301bb6467871b401a4cabec8a0dbe8e90f2c402ff33學意義是非凡的。宇宙深處有無生命，可以通過水的光譜得以推測，如果我們的LAMOST接收到來自某個天體攜帶水的信息的光譜，就可以給地外文明提供有力的線索。銀河系的深處有怎樣的黑洞，對人類所在的太陽系有何影響，可以通過LAMOST勾畫銀河系結構而得知。當前備受關注的暗物質、暗能量到底怎么回事，在宇宙中如何分布，也可以通過LAMOST的光譜探頭而勾勒出來。另外，宇宙到底是否起源于一次大爆炸，它的結構究竟如何，也可以通過LAMOST對星系、恒星天體的運動以及結構而獲悉。此外，它所獲取的所有資料都會向國內外天文學界公開，成為人類共同的財富。
　　所謂“仰觀天象，俯察地理”，我們的祖先早就認為只有抬頭叩問天穹，然后俯身觀望大地，才能走出充滿豐富意義的人間大道。LAMOST作為中國的巨眼，它對其所承載的有關民族和人類的一切使命而言，任重而道