世界上最大的數(shù)碼相機(jī)，來了！

下一場(chǎng)天文學(xué)革命就要到來了嗎？

前往“革命”的道路是一條長(zhǎng)達(dá)35公里的狹窄、曲折的土路，道路的終點(diǎn)是海拔2682米的孤獨(dú)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(gè)晴朗的夜晚，來自幾百億光年外的光，可以沒有障礙地到達(dá)人類的巨大“眼睛”——一臺(tái)分辨率達(dá)32億像素的“世界上最大的數(shù)碼相機(jī)”，配備在直徑8.4米的望遠(yuǎn)鏡主鏡上。望遠(yuǎn)鏡每三天就可以“觀察”完整的南半球夜空，哈勃太空望遠(yuǎn)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(shí)9年建設(shè)的薇拉·魯賓天文臺(tái)，由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和美國(guó)能源部共同資助。去年5月，天文臺(tái)最重要的相機(jī)設(shè)備乘坐飛機(jī)跨越了赤道和1萬公里，從美國(guó)加州順利抵達(dá)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(dú)特的設(shè)計(jì)不同于常規(guī)的圓形穹頂型天文臺(tái)，外觀看起來充滿簡(jiǎn)潔的未來感，從主鏡艙室延伸出來的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)是天文臺(tái)的服務(wù)和運(yùn)營(yíng)大樓，整個(gè)建筑遠(yuǎn)遠(yuǎn)望去像一艘航行在太空中的艦艇，望遠(yuǎn)鏡所在的“頭部”就是人類看向宇宙深處的“瞭望臺(tái)”。

就在去年10月28日，“巨眼”相機(jī)已捕捉到了第一批來自宇宙的測(cè)試數(shù)據(jù)，目前魯賓天文臺(tái)正在進(jìn)行最后的組裝，預(yù)計(jì)2025年中期將正式投入使用。一旦“巨眼”真正對(duì)準(zhǔn)天空，就會(huì)開啟一次為期十年的大型巡天計(jì)劃，有望捕捉到“比之前所有天文望遠(yuǎn)鏡加起來還多的宇宙圖像”。這也意味著，人類可能補(bǔ)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”

這是一顆可以被載入史冊(cè)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(xì)細(xì)密密的小型凸起，乍一看很像沉寂已久的珊瑚巖——這些細(xì)節(jié)第一次如此精細(xì)地呈現(xiàn)在人類面前是2020年1月，在位于美國(guó)加州舊金山灣區(qū)的斯坦福直線加速器中心（SLAC）國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室里。

研究人員將一個(gè)特殊的“鏡頭”對(duì)準(zhǔn)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(duì)比，一臺(tái)智能手機(jī)的相機(jī)鏡頭僅有2000萬像素。

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

但不同之處在于，這些傳感器的設(shè)計(jì)要遠(yuǎn)比普通相機(jī)復(fù)雜得多，它們以一組九個(gè)的方式拼接到一起，就像一個(gè)巨大的馬賽克，單個(gè)傳感器的尺寸能達(dá)到71厘米，相比之下，一臺(tái)專業(yè)數(shù)碼單反相機(jī)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(qiáng)“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(jī)越大，我們能看到的天空就越大。”SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室粒子物理學(xué)和天體物理學(xué)教授、魯賓天文臺(tái)副主任兼相機(jī)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人亞倫·魯?shù)侣f。他指出，魯賓天文臺(tái)望遠(yuǎn)鏡不僅靈敏度極高，而且視野廣闊，可以同時(shí)覆蓋“相當(dāng)于七個(gè)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(duì)地面的天文觀測(cè)者而言，天空是360度的，滿月只能占據(jù)0.5度，“七個(gè)滿月”約為3.5度，是天空中很小的一部分。但即便如此，對(duì)望遠(yuǎn)鏡而言，這也是很大的突破，同樣位于智利的甚大望遠(yuǎn)鏡（Very Large Telescope，英文縮寫為VLT）的視野范圍只有“兩個(gè)滿月”。

受訪專家指出，魯賓天文臺(tái)望遠(yuǎn)鏡最大的優(yōu)勢(shì)是既可以觀測(cè)到更大范圍的天空區(qū)域，也可以捕捉到細(xì)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(yuǎn)鏡則擅長(zhǎng)在紅外光譜下觀測(cè)，這使它能夠透過塵埃探測(cè)到遙遠(yuǎn)的非常暗淡的物體，更適合對(duì)特定目標(biāo)“解剖式”觀測(cè)，如研究特定的早期星系、恒星等對(duì)象，二者之間可以形成良性互補(bǔ)。

宇宙有很多爆裂瞬間，每時(shí)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)都會(huì)被人類錯(cuò)過，因?yàn)樗鼈兙嚯x我們太遠(yuǎn)了，發(fā)出的光很微弱，只有最“幸運(yùn)”者才能恰巧捕捉到，因此，對(duì)天文學(xué)觀測(cè)而言，最重要的問題只有一個(gè)：如何在“對(duì)的時(shí)間”看向一片“對(duì)的天空”。

魯賓天文臺(tái)提出的“時(shí)空遺產(chǎn)調(diào)查”大型巡天計(jì)劃（Legacy Survey of Space and Time，英文縮寫為L(zhǎng)SST）或許提供了一種可能的答案。這架大口徑、寬視場(chǎng)的望遠(yuǎn)鏡將在六個(gè)波段對(duì)整個(gè)南半球夜空循環(huán)往復(fù)的地毯式掃描，靈巧的設(shè)計(jì)可以使鏡頭快速移動(dòng)，短時(shí)間內(nèi)從一個(gè)目標(biāo)天區(qū)切換到另一個(gè)目標(biāo)天區(qū)，每個(gè)視野都會(huì)進(jìn)行兩次15秒的曝光，每三天，就能完成對(duì)整個(gè)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(fù)觀測(cè)一遍，這一模式將持續(xù)十年，將進(jìn)行約560萬次15秒長(zhǎng)曝光，形成人類自有天文觀測(cè)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(kù)還大數(shù)千倍。

這種調(diào)查策略的特殊之處，正在于其高頻率的重復(fù)性，曝光的順序和節(jié)奏至關(guān)重要。過去的多項(xiàng)巡天計(jì)劃也都會(huì)對(duì)準(zhǔn)很廣闊的天空，涵蓋從射電到伽馬射線的多個(gè)波段，但能做到魯賓天文臺(tái)這樣系統(tǒng)性的觀測(cè)是極其罕見的。“我們將獲得整個(gè)天空的深度影像，更為重要的是，能取得同一區(qū)域的延時(shí)攝影，看到哪些恒星的亮度有變化，小行星的移動(dòng)軌跡是什么。”加州大學(xué)伯克利分校天體物理學(xué)家和宇宙學(xué)家、魯賓天文臺(tái)前項(xiàng)目主任史蒂文·坎恩對(duì)記者解釋。他強(qiáng)調(diào)，在十年內(nèi)，魯賓天文臺(tái)將對(duì)南半球天空的每個(gè)部分都進(jìn)行約 1000 次成像。

“我們正在制作宇宙的數(shù)字彩色電影。”魯賓天文臺(tái)首席科學(xué)家托尼·泰森說。“想象一下，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。”美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)魯賓天文臺(tái)項(xiàng)目主任艾德·阿賈爾對(duì)天文學(xué)的未來非常樂觀。

天文學(xué)家們預(yù)計(jì)，當(dāng)魯賓天文臺(tái)望遠(yuǎn)鏡2025年開始運(yùn)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(tái)將開啟下一代天文學(xué)革命，天文學(xué)將從圖像時(shí)代進(jìn)入電影時(shí)代。

值得一提的是，伴隨著天文學(xué)進(jìn)入電影時(shí)代，背后將涉及前所未有的海量數(shù)據(jù)。據(jù)天文學(xué)家測(cè)算，魯賓天文臺(tái)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(yuǎn)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(shí)時(shí)處理，才能轉(zhuǎn)化為研究對(duì)象，但這靠人力是不可能完成的。因此，天文學(xué)家的一個(gè)共識(shí)是：魯賓天文臺(tái)將促使天文學(xué)徹底進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代——這是一個(gè)早已開始的趨勢(shì)，AI算法在未來研究中會(huì)扮演越來越重要的角色。

實(shí)際上，早在LSST計(jì)劃確立之初，就已組建了專門的信息學(xué)與數(shù)據(jù)處理團(tuán)隊(duì)，主要負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)專門的算法來優(yōu)化數(shù)據(jù)處理過程，減少誤報(bào)，減輕繁重的計(jì)算負(fù)擔(dān)，并幫助天文學(xué)家識(shí)別值得研究的最佳事件對(duì)象。正式運(yùn)行后，魯賓天文臺(tái)相機(jī)拍攝到的每張圖像從智利傳回加州只需要60秒，在赤道另一頭的實(shí)驗(yàn)室里，AI算法將首先對(duì)圖像進(jìn)行分析，判斷對(duì)象天體是否有任何值得記錄的移動(dòng)或變化，然后再向研究人員發(fā)出警報(bào)。

“我們預(yù)計(jì)望遠(yuǎn)鏡每晚會(huì)發(fā)出約1000萬條事件警報(bào)。”魯賓天文臺(tái)的天文學(xué)推廣專家克萊爾·希格斯說，“這些警報(bào)包括天空中發(fā)生的任何變化，涵蓋一系列研究對(duì)象，如太陽系天體、小行星和超新星等，這就是機(jī)器學(xué)習(xí)如此重要的原因。”

正如“AI教母”李飛飛創(chuàng)建的計(jì)算機(jī)視覺識(shí)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(xué)的大數(shù)據(jù)時(shí)代，數(shù)據(jù)的公開對(duì)研究上的突破同樣具有重大意義。希格斯指出，魯賓天文臺(tái)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將每年發(fā)布給一組選定的天文學(xué)家，再過兩年，所有數(shù)據(jù)會(huì)全部開放給公眾，供全球科學(xué)界研究。

“稱量”宇宙

很多人的電腦桌面都曾用哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的宇宙圖片作為背景，瑰麗的玫瑰色宇宙中，除了引人矚目的點(diǎn)狀繁星外，有時(shí)還會(huì)遇到一些彎曲的弧線，這就是魯賓天文臺(tái)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(tái)的四個(gè)主要科學(xué)目標(biāo)中，探索暗物質(zhì)、理解暗能量排在首位，其他目標(biāo)還包括測(cè)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(biāo)中，對(duì)于暗物質(zhì)的探索是最深刻的，因?yàn)檫@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(duì)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(shí)際上，魯賓天文臺(tái)的命名正是源自美國(guó)女性天文學(xué)家薇拉·魯賓，這也是美國(guó)歷史上第一個(gè)以女性命名的天文臺(tái)。20世紀(jì)70年代，魯賓通過研究星系的運(yùn)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(dāng)年的天文學(xué)界帶來了一次“地震”。近半個(gè)世紀(jì)后，今天的天文學(xué)家接棒了魯賓的任務(wù)。

尋找暗物質(zhì)的眾多物理學(xué)手段中，引力透鏡是一個(gè)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(gè)透鏡，或者說穿過一個(gè)“變焦鏡頭”。

天文學(xué)家很快發(fā)現(xiàn)，引力透鏡是探測(cè)暗物質(zhì)性質(zhì)的絕佳方式。一個(gè)引力透鏡事件中，來自遙遠(yuǎn)星系的光，會(huì)被大質(zhì)量星系團(tuán)的引力所吸引而導(dǎo)致扭曲，通過測(cè)量光線扭曲的程度，可以間接估算出星系團(tuán)的質(zhì)量分布，其中大部分是暗物質(zhì)質(zhì)量。簡(jiǎn)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(yuǎn)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(gè)星系團(tuán)，它是一個(gè)強(qiáng)大的透鏡，可以放大隱藏在它背后的所有遙遠(yuǎn)星系，這些星系的影像被扭曲為長(zhǎng)短不一的各種弧線，有的呈藍(lán)色，有的呈橙色，遍布整個(gè)畫面。

引力透鏡分為兩種：強(qiáng)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(qiáng)引力透鏡的扭曲效果更明顯，是理想的觀測(cè)對(duì)象，但極其罕見，需要星系團(tuán)質(zhì)量巨大。通過望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的更多是弱引力透鏡，即只有微小的扭曲，但對(duì)這類事件的分析難度要大得多，需要首先排除其他干擾，時(shí)空并非“平坦”的，布滿星際空間的各種氣體也會(huì)讓很多星系看起來扁平或細(xì)長(zhǎng)。

因此，僅測(cè)量一個(gè)星系是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，在識(shí)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(cè)量。據(jù)估算，魯賓天文臺(tái)可以探測(cè)到大約200 億個(gè)星系，其中 40 億個(gè)星系將以非常高的精度成像。“這是人類首次觀測(cè)到這么多星系。天文學(xué)家估計(jì)，宇宙中可觀測(cè)到的星系理論上最多為 1000億個(gè)，200 億這個(gè)數(shù)字是非常可觀的，可以讓統(tǒng)計(jì)結(jié)果更有力，盡可能接近對(duì)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(cè)量一直非常困難，該領(lǐng)域的很多早期工作都受限于望遠(yuǎn)鏡參數(shù)。他說，實(shí)際上，魯賓天文臺(tái)望遠(yuǎn)鏡是有史以來第一臺(tái)設(shè)計(jì)中充分考慮到弱引力透鏡測(cè)量的望遠(yuǎn)鏡，“我們非常小心地進(jìn)行了模擬”，從相機(jī)到望遠(yuǎn)鏡，再到大氣層，以了解可能影響弱引力透鏡測(cè)量效果的任何具體原因，不斷地優(yōu)化設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)。

魯賓天文臺(tái)LSST強(qiáng)透鏡科學(xué)合作主席菲爾·馬歇爾預(yù)估，十年調(diào)查期內(nèi)，魯賓天文臺(tái)可能會(huì)發(fā)現(xiàn)近1萬個(gè)各種尺寸和結(jié)構(gòu)的透鏡類星體，比目前天文學(xué)史上最大的引力透鏡調(diào)查還多出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。不過，魯賓天文臺(tái)的優(yōu)勢(shì)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(tuán)隨時(shí)間的變化，進(jìn)一步說，即暗物質(zhì)是如何隨宇宙時(shí)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(huì)聚集成團(tuán)塊并嵌入星系團(tuán)，它們是逐漸集中在星系內(nèi)，還是填充在星系之間的廣闊空間？當(dāng)星系之間相互碰撞時(shí)，暗物質(zhì)是否也會(huì)發(fā)生碰撞，還是它們彼此不會(huì)注意到彼此，只是擦肩而過？“魯賓天文臺(tái)將以過去人類無法做到的方式打開宇宙時(shí)間。”馬歇爾強(qiáng)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(xué)家們?cè)缱C實(shí)，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(duì)“大象”之間的拔河游戲共同塑造了當(dāng)前的宇宙，因此，魯賓天文臺(tái)通過引力透鏡呈現(xiàn)的“宇宙時(shí)間切片”同樣有助于在宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)上進(jìn)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(shí)間在這個(gè)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(jìn)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(duì)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(shí)刻。

這一點(diǎn)之所以如此重要，是因?yàn)槿祟愲m然是時(shí)間性的動(dòng)物，卻一直在嘗試超越時(shí)間。這也是天文學(xué)家們的終極科學(xué)目標(biāo)。

坎恩指出，天文學(xué)的一大優(yōu)點(diǎn)是有明確的理論預(yù)測(cè)，然后試圖通過“稱量”宇宙來驗(yàn)證預(yù)測(cè)，這種方法類似于實(shí)驗(yàn)物理學(xué)。但更令人興奮的一點(diǎn)是，每當(dāng)人類建造更大、更好的望遠(yuǎn)鏡時(shí)，總會(huì)發(fā)現(xiàn)各種從未想象到的新的事物。