魯賓天文臺：引領下一場天文學革命

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。這種獨特的設計不同于常規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構是天文臺的服務和運營大樓，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據，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、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構，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——這些細節第一次如此精細地呈現在人類面前是2020年1月，在位于美國加州舊金山灣區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的黑白數碼照片，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的“世界上最大的數碼相機”。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，這些參數共同使它獲得了一張吉尼斯世界紀錄證書。與普通的數碼相機類似，它的核心構件也是一個焦平面，由201個成像傳感器組成，主要負責捕捉物體發出或反射的光，再將其轉化為電信號，以此產生圖像。

但不同之處在于，這些傳感器的設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，一臺專業數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·魯德曼說。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”的天空區域，這些包含數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勢是既可以觀測到更大范圍的天空區域，也可以捕捉到細節極其豐富的天體圖像，特別適合大規模巡天任務，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，每時每刻都在發生著爆炸、坍縮、分裂與碰撞，這些事件中的大多數會被人類錯過，因為它們距離我們太遠了，發出的光很微弱，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“時空遺產調查”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往復地地毯式掃描，靈巧的設計可以使鏡頭快速移動，短時間內從一個目標天區切換到另一個目標天區，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，天空的同一區域就能被重復觀測一遍，這一模式將持續十年，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據集”，比目前最大規模的巡天圖像庫還大數千倍。

這種調查策略的最特殊之處，正在于其高頻率的重復性，曝光的順序和節奏至關重要。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?！奔又荽髮W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，在十年內，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據。據天文學家測算，魯賓天文臺每晚將產生超過20TB（20萬億字節）的數據，10年內將產生約60PB（1PB=1024TB）的數據，這是哈勃望遠鏡自1990年發射以來，34年內拍攝到的所有圖像數據的100倍，是維基百科數據的100萬倍，這些數據必須經過實時處理，才能轉化為研究對象，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據時代——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據處理團隊，主要負責設計專門的算法來優化數據處理過程，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出警報。

“我們預計望遠鏡每晚會發出約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”李飛飛創建的計算機視覺識別領域的公開大型數據集ImageNet之于大模型的作用一樣，在天文學的大數據時代，數據的公開對研究上的突破同樣具有重大意義。希格斯指出，魯賓天文臺產生的數據將每年發布給一組選定的天文學家，再過兩年，所有數據會全部開放給公眾，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、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天文事件，這些任務都很重要，可以讓人類更了解“現有的宇宙”。但在所有目標中，對于暗物質的探索是最深刻的，因為這種“看不見”的神秘物質構成了宇宙中85％的物質，人類卻對其所知甚少。暗物質是“宇宙中的大象”，如果真的捕捉到它，則可能顛覆“現有的宇宙”，創造“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速度，發現了暗物質存在的第一份確切證據，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。

尋找暗物質的眾多物理學手段中，引力透鏡是一個很有效的工具。暗物質既不發光，也不參與電磁相互作用，和其他天體相互關聯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”。

天文學家很快發現，引力透鏡是探測暗物質性質的絕佳方式。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量分布，其中大部分是暗物質質量。簡言之，我們可以利用引力透鏡繪制出宇宙中暗物質的三維地圖。

哈勃望遠鏡2008年發布的圖像“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，二者區別是引力引發的扭曲程度，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?！斑@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，200億這個數字是非?？捎^的，可以讓統計結果更有力，盡可能接近對暗物質質量和性質的精確推理?！笨捕鹘忉尅?/p>

他指出，弱引力透鏡的測量一直非常困難，該領域的很多早期工作都受限于望遠鏡參數。他說，實際上，魯賓天文臺望遠鏡是有史以來第一臺設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，不斷地優化設計和校準。

魯賓天文臺LSST強透鏡科學合作主席菲爾·馬歇爾預估，十年調查期內，魯賓天文臺可能會發現近1萬個各種尺寸和結構的透鏡類星體，比目前天文學史上最大的引力透鏡調查還多出兩個數量級。不過，魯賓天文臺的優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，即暗物質是如何隨宇宙時間而演變的，這將有助于深入研究暗物質的性質。

為何這些暗物質會聚集成團塊并嵌入星系團，它們是逐漸集中在星系內，還是填充了星系之間的廣闊空間？當星系之間相互碰撞時，暗物質會發生碰撞，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。

暗物質之外，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的“宇宙時間切片”同樣有助于在宇宙的大尺度結構上進行暗能量研究。

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，質子和中子分解成夸克，物質、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，總會發現各種從未想象到的新的事物。