擬投資2億元的天文望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目，近日在青海省冷湖觀測基地舉行了奠基儀式。

這是一臺(tái)2.5米口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，名為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)-中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)大視場巡天望遠(yuǎn)鏡(Wide-Field Survey Telescope, 簡縮為WFST)，由中國天文學(xué)家自主建造的科學(xué)裝置。5月11日，WFST基建項(xiàng)目在冷湖正式開工。

對中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究員鄭憲忠來說，這是值得紀(jì)念的一天。因?yàn)?，距離WFST項(xiàng)目提出已將近10年。他從項(xiàng)目醞釀之初就開始參與，現(xiàn)為WFST副總設(shè)計(jì)師。

這個(gè)用了近10年才開始破土動(dòng)工的科學(xué)裝置，會(huì)帶來什么驚喜?

三大核心科學(xué)目標(biāo)

美國也有一個(gè)口徑2.5米的透鏡望遠(yuǎn)鏡——斯隆望遠(yuǎn)鏡(SDSS)，和WFST一樣，都是在焦面上覆蓋CCD探測器。

“斯隆望遠(yuǎn)鏡兼具光譜觀測和圖像觀測能力，而WFST只進(jìn)行圖像觀測，在光譜觀測上沒有太多優(yōu)勢。”鄭憲忠告訴科技日報(bào)記者，“但是，WFST的CCD探測器覆蓋面積更廣，圖像觀測能力是斯隆的5倍。因此，我們能開展深度時(shí)域巡天，就像給天空拍電影一樣。”

另外，WFST集光效率更高，像質(zhì)優(yōu)于斯隆望遠(yuǎn)鏡。斯隆望遠(yuǎn)鏡首光時(shí)間是1998年，相比之下，更年輕的WFST使用了更先進(jìn)的技術(shù)，比如采用國際先進(jìn)的主焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。鄭憲忠表示，WFST建成后將成為北半球巡天能力最強(qiáng)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。

WFST望遠(yuǎn)鏡外形概念圖

據(jù)介紹，WFST有三大核心科學(xué)目標(biāo)。

第一個(gè)是進(jìn)行大規(guī)模時(shí)域巡天。時(shí)域天文學(xué)是研究天體性質(zhì)隨時(shí)間改變的規(guī)律，一般的研究目標(biāo)包括引力波事件電磁對應(yīng)體、超新星、潮汐瓦解事件等暫現(xiàn)源，和變星、耀發(fā)星、耀變體及活動(dòng)星系核等光變天體。

通過時(shí)域天文學(xué)研究，可以監(jiān)測宇宙中很多未知事件，比如理論上預(yù)測到但還沒有觀測確認(rèn)到的現(xiàn)象，或發(fā)現(xiàn)一些從未被理論預(yù)知過的新現(xiàn)象。

“2.5米大視場巡天望遠(yuǎn)鏡，在天文學(xué)上的魅力就在于發(fā)現(xiàn)可以開辟新研究方向的未知事件和現(xiàn)象。長期監(jiān)測廣袤的宇宙，便得以窺探宇宙深處的秘密。”鄭憲忠說。

第二個(gè)是搜尋外太陽系的天體，比如柯伊伯帶的天體。鄭憲忠介紹，相比較水星、金星等，外太陽系的天體距離太陽較遠(yuǎn)，比較暗弱且移動(dòng)緩慢，通過多次重復(fù)觀測，WFST可以對外太陽系的天體進(jìn)行一次普查。

第三個(gè)是在銀河系結(jié)構(gòu)和近場宇宙學(xué)研究領(lǐng)域取得突破。針對被觀測的天體，WFST可在不同波段進(jìn)行上百次的觀測，探測靈敏度呈數(shù)量級提升。

通俗來說，WFST可以“盯著”一塊天區(qū)，進(jìn)行多次曝光拍照監(jiān)測，圖像疊加后能探測到更遠(yuǎn)、更暗的星體，并對這些星體的空間分布和組成進(jìn)行精細(xì)的刻畫。

比如，研究被捕捉而掉落進(jìn)銀河系的行星衛(wèi)星星系及其星流，從而對銀河系形成歷史有更深入了解，或是通過精微細(xì)致的觀測圖像研究近鄰宇宙的結(jié)構(gòu)。

我國自主設(shè)計(jì)研發(fā)

記者了解到，WFST望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目分為望遠(yuǎn)鏡本體、主焦相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡圓頂臺(tái)址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析四大分系統(tǒng)。

鄭憲忠告訴記者，WFST的設(shè)計(jì)制造大部分采用國產(chǎn)部件。“隨著我國工業(yè)制造能力提升，國內(nèi)高精尖設(shè)備研發(fā)制造能力提升很快。比如，WFST的光學(xué)設(shè)計(jì)由我們自主完成，主鏡本體和主焦相機(jī)就由國內(nèi)單位自主加工建造。”

不過，有些關(guān)鍵部件還需要進(jìn)口，包括望遠(yuǎn)鏡本體中使用的微晶玻璃材料，以及主焦相機(jī)上使用的CCD探測器芯片。

微晶玻璃剛度高、絕緣性能優(yōu)良、介電常數(shù)穩(wěn)定，關(guān)鍵是熱膨脹系數(shù)極小，且耐化學(xué)腐蝕、耐磨、耐高溫。

微晶玻璃煅燒難度大，WFST使用的微晶玻璃從德國進(jìn)口。

CCD探測器芯片每塊邊長略大于9厘米，看起來與人的手掌大小差不多。WFST會(huì)在CCD探測器上拼接使用9塊(3×3)芯片。

鄭憲忠說，手機(jī)上使用的CMOS芯片能達(dá)到千萬級別的像素就已很厲害。而CCD探測器芯片的單片像素為8500萬，所以，WFST單幅曝光圖像就能達(dá)到7億多像素。相比常用單反相機(jī)，WFST可以說是一個(gè)超級相機(jī)。

“但我們自己造不了科學(xué)級CCD探測器芯片。WFST是從半導(dǎo)體制造公司Teledyne e2v采購的。每一塊芯片的進(jìn)口價(jià)約180萬元人民幣。”鄭憲忠告訴科技日報(bào)記者。

受新冠疫情影響，CCD探測器芯片的交付晚于預(yù)定時(shí)間。如果接下來進(jìn)展順利，WFST有望于2022年上半年完成安裝，并于明年夏天開始調(diào)試。

一次成功的合作模式

WFST項(xiàng)目順利開展，離不開深度合作。

2012年，紫金山天文臺(tái)時(shí)任臺(tái)長楊戟開始醞釀WFST項(xiàng)目，由鄭憲忠牽頭推動(dòng)。接下來的幾年，紫金山天文臺(tái)WFST項(xiàng)目組與國內(nèi)天文同行和南京天文光學(xué)技術(shù)研究所等國內(nèi)光機(jī)單位開展合作，不斷推進(jìn)預(yù)研工作——確定科學(xué)目標(biāo)、設(shè)計(jì)方案、技術(shù)指標(biāo)、探測器方案以及光學(xué)、機(jī)械、電控等分系統(tǒng)等。

但申請經(jīng)費(fèi)多次碰壁，直到與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)開展科教融合，事情才有了轉(zhuǎn)機(jī)。

在雙方合作共建中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院的基礎(chǔ)上，2018年3月，WFST項(xiàng)目啟動(dòng)會(huì)在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)召開，項(xiàng)目獲得中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)“雙一流”平臺(tái)建設(shè)支持。

“WFST不僅是我們自主創(chuàng)新的原研設(shè)備，從合作模式上看也意義重大。”鄭憲忠說。

中國科學(xué)院前沿科學(xué)與教育局?jǐn)?shù)理化學(xué)處副處長毛羽豐表示，通過開展科教融合，并在“雙一流”平臺(tái)的支持下共建WFST，將對中國科技大學(xué)天文學(xué)科建設(shè)成世界一流學(xué)科起到重要推動(dòng)作用。

鄭憲忠表示，WFST望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目能順利開工，也離不開青海省的大力支持。“冷湖地處偏遠(yuǎn)，物資缺乏，望遠(yuǎn)鏡又是在賽什騰山頂建造，從人力、物力、財(cái)力上看，投資成本肯定比正常水平翻倍。”

據(jù)國家天文臺(tái)首席研究員鄧?yán)畈沤榻B，從各方面看，冷湖賽什騰山具備建成世界級優(yōu)良天文臺(tái)址的條件，不少望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目醞釀在此落戶。

值得欣喜的是，中國天文學(xué)科發(fā)展迅速，已從利用國外裝置獲取的數(shù)據(jù)階段邁向研制觀測設(shè)備獲取一手?jǐn)?shù)據(jù)的新階段。

關(guān)鍵詞： 北半球 光學(xué)望遠(yuǎn)鏡 WFST項(xiàng)目 驚喜