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◎本報(bào)記者 張 蘊(yùn)

近日，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡正式開啟天文巡天觀測研究。該望遠(yuǎn)鏡是截至目前全球成像巡測能力最強(qiáng)的大視場光學(xué)巡天望遠(yuǎn)鏡，也是冷湖天文觀測基地已建成的望遠(yuǎn)鏡群中口徑最大的望遠(yuǎn)鏡。

北天球最強(qiáng)“星空攝像師”的開工，將為時(shí)域天文學(xué)研究帶來新機(jī)遇。那么，什么是時(shí)域天文學(xué)？墨子巡天望遠(yuǎn)鏡的哪些特性可為時(shí)域天文學(xué)研究賦能？帶著這些問題，科技日報(bào)記者采訪了相關(guān)專家。

時(shí)域天文學(xué)將成重大前沿科學(xué)領(lǐng)域“金礦”

10月17日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)、深空探測實(shí)驗(yàn)室和青海省人民政府聯(lián)合共建的墨子巡天望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)向科技日報(bào)記者介紹了時(shí)域天文學(xué)的研究意義與發(fā)展方向。

“宇宙并非一成不變，而是動(dòng)態(tài)演化著的。宇宙中有很多天體，當(dāng)它們的物理、化學(xué)等性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)變化會(huì)反映在形態(tài)、光度、光譜特征等方面。例如造父變星，當(dāng)它演化到了不穩(wěn)定的階段，其大氣層會(huì)發(fā)生周期性的膨脹或收縮，從而使光度發(fā)生周期性改變?！必?fù)責(zé)望遠(yuǎn)鏡活動(dòng)星系核觀測科學(xué)目標(biāo)的薛永泉介紹，這種光變的周期性使得造父變星成為非常寶貴的“量天尺”。著名天文學(xué)家哈勃通過觀測造父變星，發(fā)現(xiàn)宇宙并非是靜態(tài)的，而是在不斷膨脹，這個(gè)發(fā)現(xiàn)是宇宙熱大爆炸理論的重要觀測基礎(chǔ)。

負(fù)責(zé)望遠(yuǎn)鏡太陽系天體觀測科學(xué)目標(biāo)的趙海斌補(bǔ)充道：“太陽系天體在空間中運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也會(huì)伴隨著光度的變化，例如小行星、彗星等的自轉(zhuǎn)和大行星衛(wèi)星的互掩互食。”

墨子巡天望遠(yuǎn)鏡紫金山天文臺(tái)總指揮吳雪峰認(rèn)為，時(shí)域天文學(xué)在過去10多年已經(jīng)成為天文學(xué)和相關(guān)物理研究的重大突破方向，在超新星宇宙學(xué)、引力波直接測量、系外行星發(fā)現(xiàn)等重要領(lǐng)域產(chǎn)出了一批重大科學(xué)突破。時(shí)域天文學(xué)和基礎(chǔ)物理的前沿交叉課題，如暗能量及暗物質(zhì)的本質(zhì)、宇宙起源、廣義相對論驗(yàn)證、量子引力模型驗(yàn)證等密切相關(guān)，已成為基礎(chǔ)物理發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力。

值得一提的是，未來10年至20年，時(shí)域天文學(xué)將成為國際天文學(xué)引領(lǐng)性、“金礦”型的重大前沿科學(xué)領(lǐng)域。吳雪峰說，時(shí)域天文學(xué)也是我國天文界具有廣泛共識(shí)的重點(diǎn)發(fā)展方向，在基礎(chǔ)研究、技術(shù)研發(fā)、學(xué)科發(fā)展和國家戰(zhàn)略及需求層面都具有重要意義。

墨子巡天望遠(yuǎn)鏡為時(shí)域天文學(xué)發(fā)展注入新動(dòng)能

墨子巡天望遠(yuǎn)鏡中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)總設(shè)計(jì)師孔旭告訴記者，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡是當(dāng)前全球投入運(yùn)行的成像巡天能力最強(qiáng)的光學(xué)時(shí)域巡測設(shè)備。它具有2.5米的大口徑，可收集到來自遙遠(yuǎn)宇宙深空的光子；配備大面陣7.65億像素高分辨率拼接CCD（即電荷耦合器件）探測器；具有6.5平方度的大視場，可通過對同一天區(qū)的高頻次反復(fù)掃描，捕捉稍縱即逝的天文現(xiàn)象（即暫現(xiàn)源）。

不僅如此，孔旭還介紹，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡憑借其強(qiáng)大的光學(xué)時(shí)域天文觀測能力，可與我國地面的大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡（郭守敬望遠(yuǎn)鏡）、500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（“中國天眼”）、高海拔宇宙線觀測站（“拉索”）等大型設(shè)備和其他中小口徑望遠(yuǎn)鏡開展多波段協(xié)同觀測。這一方面可以從多波段提高暫現(xiàn)源尤其是短時(shí)標(biāo)暫現(xiàn)源的發(fā)現(xiàn)率，另一方面還可獲得這些暫現(xiàn)源及其宿主星系的實(shí)時(shí)譜能量分布。未來幾年，隨著中國新一代空間天文觀測設(shè)施陸續(xù)發(fā)射升空，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡將與這些設(shè)施實(shí)現(xiàn)“天地一體化多波段巡天”的網(wǎng)絡(luò)搭建。

可以預(yù)見的是，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡的投運(yùn)，將為時(shí)域天文學(xué)研究帶來無限可能。對此，望遠(yuǎn)鏡首席科學(xué)家王挺貴介紹，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃開展首期六年的巡天任務(wù)，預(yù)計(jì)產(chǎn)生約3PB的數(shù)據(jù)，獲得數(shù)十萬條多波段光變曲線。此外，數(shù)據(jù)中還包括弱透鏡形狀目錄，其中有超過2億個(gè)星系的測光紅移和形狀信息、約4萬個(gè)測光選擇的星系團(tuán)等。把這些成像數(shù)據(jù)疊加，將會(huì)得到研究銀河系、星系形成和宇宙學(xué)的寶貴資源。

未來時(shí)域天文學(xué)研究仍需攻克技術(shù)瓶頸

事實(shí)上，對于時(shí)域天文學(xué)的研究并非一帆風(fēng)順。墨子巡天望遠(yuǎn)鏡紫金山天文臺(tái)總設(shè)計(jì)師楊戟亦向記者坦言，其研究過程中存在一些困難。

他表示，現(xiàn)代時(shí)域天文學(xué)觀測需要設(shè)備視場足夠大、反應(yīng)足夠快、曝光足夠深、波段足夠?qū)挕＝陙?，高能暫現(xiàn)源的觀測越來越受到人們的關(guān)注。快速射電暴、引力波事件、伽馬射線暴等高能爆發(fā)事件對應(yīng)的暫現(xiàn)源天體往往持續(xù)時(shí)標(biāo)很短，只有毫秒到小時(shí)量級(jí)，它們在天空中一閃而逝。

所以，現(xiàn)代時(shí)域天文觀測需要協(xié)調(diào)從空間到地面不同電磁波段、不同宇宙信使的探測器，開展協(xié)同觀測。這就需要望遠(yuǎn)鏡設(shè)備對不同觀測設(shè)施的暫現(xiàn)源觸發(fā)信號(hào)具有快速自動(dòng)響應(yīng)、自動(dòng)觀測，并立即開展實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的能力。這些技術(shù)瓶頸，正是科學(xué)家們今后一段時(shí)期亟待攻克的方向之一。

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多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡巡天遙測千億星

墨子巡天望遠(yuǎn)鏡副總設(shè)計(jì)師、大視場巡天科學(xué)研究團(tuán)組首席研究員鄭憲忠介紹，截至目前，世界范圍內(nèi)已不乏其他時(shí)域天文望遠(yuǎn)鏡“巡測星空”。

比如，斯隆數(shù)字巡天是歷史上最雄心勃勃、最具影響力的巡天項(xiàng)目之一，該項(xiàng)目使用2.5米口徑專用望遠(yuǎn)鏡獲得了數(shù)百萬星系、類星體和恒星的光譜；卡特林那巡天系統(tǒng)使用3臺(tái)寬視場望遠(yuǎn)鏡在33000平方度的天區(qū)尋找罕見的明亮?xí)含F(xiàn)源；維拉·C·魯賓天文臺(tái)位于南半球的智利，預(yù)計(jì)將于近一兩年投入使用，該天文臺(tái)將配備一臺(tái)8.4米口徑的旗艦寬視場巡天望遠(yuǎn)鏡，預(yù)計(jì)r波段30秒曝光極限星等達(dá)到24.5等。

“值得一提的是，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡可與維拉·C·魯賓天文臺(tái)大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡在天區(qū)覆蓋上互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)全天時(shí)域監(jiān)測?！编崙椫艺f。