探秘星空的「眼睛」

來源：北京日報

趙永恆

LAMOST望遠鏡鏡片是由多塊六邊形鏡片拼接而成，如蜂窩狀。

本報記者 和冠欣攝

本報記者 張航

1280年春天，元世祖忽必烈取「敬授民時」的古語，命名了一部新曆法——《授時曆》。

《授時曆》之精準，令人驚訝。該歷以365.2425天為一歲，與地球繞太陽公轉的實際時間只相差25.92秒。這部曆法比現在通用的「陽曆」早了三百多年。

《授時曆》的形成，得益於一場被稱為「四海測驗」的大型天文觀測。自1279年開始，元朝14員監侯官分道而出，在全國各地27個觀測站進行觀測。

這其中，有位觀測者，叫郭守敬，「四海測驗」就來自他的建議，他也是《授時曆》的主要編者之一。

一路顛簸，逐星追月的郭守敬不會想到，有朝一日，自己的名字也能遨遊星河——為了紀念他對天文學的貢獻，人們將月球上的一座環形山命名為「郭守敬環形山」，將一顆小行星命名為「郭守敬小行星」。

不斷發明、改制天文觀測儀器，期望能看得更遠的郭守敬，更不會想到，700多年後，就在元大都東北百餘公裡外的燕山主峰南麓，有一座世界上口徑最大的大視場望遠鏡，冠名為「郭守敬望遠鏡」。

「他」真的望到了更遠的星空。

LAMOST工程分為八個子系統：光學系統；主動光學和支撐系統；機架和跟蹤裝置；望遠鏡控制系統；焦面儀器；圓頂；觀測控制與數據處理系統；輸入星表與巡天戰略系統。

LAMOST望遠鏡的「鏡筒」南高北低，最高處離地40米。其鏡片不是一整塊玻璃，而是由多塊六邊形鏡片拼接而成，如蜂窩狀。南端的球面主鏡大小為6.6米×6米，由37塊1.1米對角徑的六邊形鏡片拼接而成。北端的反射施密特改正鏡大小為5.7米×4.4米，由24塊六邊形子鏡拼接而成。球面主鏡是固定的，反射施密特改正鏡則可以根據觀測需要調整角度，觀測天區赤緯從負10度到正90度，涵蓋了赤道和北極的星空。

LAMOST望遠鏡有32臺科學級CCD相機，每臺相機配備一個1600萬像素的光學探測器； 4000根光纖對應16臺光譜儀，可以分解星光，幫助科學家發現各種化學元素，以揭開星星的奧秘。

自製望遠鏡的少年

壩上，華北平原與內蒙古高原的過渡地帶，因地形如階梯水壩般升高得名。這裡平均海拔在1400米以上，森林茂密，土壤肥沃，湖泊遍布，是天然的避暑勝地。

1307年，元武宗將中都建在這裡，作為往返於大都（北京）、上都的巡都。此時，郭守敬已年逾古稀，還在朝廷中忙碌著。

600餘年後，元中都只剩殘垣。新中國在張北地區建設的察北牧場，正欣欣向榮。

牧場裡有座圖書館，一個小男孩總喜歡跑去那裡看書，天文畫報，是他的最愛。從畫報上，他認識了星座，也知道了郭守敬和《授時曆》。

入夜，繁星璀璨。

小男孩，抬著頭，痴痴地望著星空，分辨著一個個星鬥。探索宇宙秘密的夢想，在小男孩的心中生根，發芽。

小男孩叫趙永恆，他的爸爸是牧場裡的農機駕駛員。家裡沒人能指點他探索星空，趙永恆就白天翻畫報，晚上看星星，他慢慢認識了牛郎星、織女星、北鬥七星……

上初一那年，趙永恆試著用厚牛皮紙將一片老花鏡片和一片近視鏡片捲起來，利用凹凸透鏡組裝出一架簡易天文望遠鏡。透過鏡頭，他第一次看到了月球上的環形山，激動地跳了起來。他很想找到「郭守敬環形山」，可惜未能如願。

趙永恆想看得更遠，「我要學天文」。考大學時，趙永恆原本想考南京大學天文專業，因為那裡有紫金山天文臺。

可是，當時南京大學天文專業並不在河北招生。趙永恆只好轉變方向，準備先從天文的基礎——物理學起。1980年，趙永恆被武漢一所軍校的物理專業錄取。大學期間，他從各種渠道尋找南京大學的天文學習資料，有書借書，沒書就找油印材料，再不行就手抄。大三結束的暑假，他坐了一天一夜的船，沿長江而下，抵達南京。上了岸，他迫不及待地趕到中科院南京紫金山天文臺，想要參觀。但可惜沒有提前預約，未能如願。

一年後，趙永恆的願望實現了，他如願成為南京大學天文專業碩士研究生。第一次跨進紫金山天文臺大門的時候，他很是感慨：「努力了，實現夢想就是這小小的一步。」

1990年，在南京大學取得博士學位後，26歲的趙永恆跨過長江，沿著老津浦鐵路北上。進入我國天文觀測的最高學術機構——中國科學院北京天文臺（現中科院國家天文臺）工作。

自製天文望遠鏡的少年，終於開始了「星辰大海」的徵途。

建造大望遠鏡的「施工隊長」

自製天文望遠鏡的時候，趙永恆不會想到，有一天，他能參與建造一座口徑4米，高達8層樓的「大傢伙」。

1995年秋,一天傍晚，德國慕尼黑，馬普地外物理所。

一陣急促的電話鈴聲響起。訪問學者趙永恆拿起聽筒，「永恆，回來吧！我們國家要建超大型光學天文望遠鏡了！希望你加入！」打來電話的是北京天文臺臺長李啟斌。兩人聊了很久，臨掛斷電話前，李啟斌又強調了一句要建的望遠鏡，「絕對是個大傢伙！」

掛斷電話，趙永恆興奮地走來走去。

當時，世界主要發達國家已掀起了建設超大口徑天文望遠鏡的熱潮，美國在太平洋夏威夷島上建起了凱克（KECK）望遠鏡，口徑達10米。

中國當時最大口徑的望遠鏡只有2.16米級。趙永恆切身體會過「2.16米級」和「10米級」的差距。他曾經用2.16米級光學望遠鏡發現了一個新的類星體，「只看到了一顆，因為那架望遠鏡一次只能拍攝一個天體。」

為了儘快縮小差距，中科院院士王綬琯、蘇定強向國家提出了建設大型巡天光學望遠鏡的建議。經過反覆論證，該項目被列入國家重大科學工程。

留在德國，繼續科研，有豐厚的經費，可預期的成果；回國參與建設望遠鏡，則是未知的局面，未知的結果……

怎麼選？

趙永恆沒有猶豫，很快回復李啟斌：「我儘快回國！」

為什麼這麼選？

「我渴望著能觀測更大的宇宙。」趙永恆說。

1996年初,32歲的趙永恆回國，成為項目指揮部中最年輕的成員，他和同事們為建設「大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡（LAMOST）」而努力。

項目準備了整整5年，細緻入微，力求完美。2001年9月，LAMOST項目開工。趙永恆的身份也發生了改變——2003年，他從科學家變成了項目總經理，建設、人事、財務……項目運行的方方面面都需要他操心，「幹的就是施工隊長的活兒。」趙永恆笑著說。

趙永恆操心最多的是經費。

項目獲批時，國家撥付2.35億元建設資金。「看著挺多，但建設大科學裝置，錢不經花。」趙永恆說。

怎麼辦？只有把技術用到極致！經費難以支撐研發10米級口徑望遠鏡，趙永恆和同事們就從技術方案上想辦法——LAMOST望遠鏡口徑約4米，但實現了5度的大視場。

趙永恆拿起一臺單眼相機，他指著鏡頭說：「焦距越長視野越窄。那些8至10米口徑的天文望遠鏡，視場往往只有10多角分。」1度等於60角分，一般情況下，視場30角分的望遠鏡，觀測視野剛剛可以容納一個距離地球38萬公裡的月亮。LAMOST有5度的視場，這意味著它的視野可以裝下足足100個月亮。那些以光年衡量的更遙遠的群星，在望遠鏡中佔據的面積比月亮小得多，5度觀測視場幾乎就是「超廣角」，「可以博覽群星，既看得多，又能看得清，從而實現巡天的目標。」趙永恆說。

望遠鏡的鏡片也是一項大開支。為了節省經費，趙永恆和同事們貨比三家——在全球範圍內篩選出上海、俄羅斯、德國的三家生產企業。國內企業很爭氣，不僅報價低，而且試加工出的鏡片質量很高。德國企業得知消息後，立即將報價下調一半……「這充分說明自己掌握核心技術是多麼重要。」趙永恆說。

LAMOST建在山區。建設期間，趙永恆常駐工地，哪個環節出問題，他就第一時間奔赴現場解決……

七年奮戰，終有收穫。

2008年，LAMOST落成；2009年，順利通過國家驗收；2011年，啟動巡天觀測。

此時，趙永恆雖還不到50歲，但已頭髮花白。他望著傲立山間的白色望遠鏡，眼圈紅了，他確信，這是一生中最榮耀的成果。

變大的「銀盤」和「看不見」的黑洞

中國人建的望遠鏡，一定得有一個中文名字。

LAMOST項目啟動中文名字徵集，中科院國家天文臺收到大批方案：郭守敬望遠鏡、張衡望遠鏡……最終，「郭守敬望遠鏡」高票當選。

趙永恆想起了小時候看過的郭守敬的故事，「大家都看到了郭守敬在天文觀測方面的重要貢獻。」

2010年4月17日，LAMOST望遠鏡正式冠名為「郭守敬望遠鏡」，趙永恆仿佛看到，中國古代天文研究的輝煌成果和中國飛速發展的現代天文科技，在巨大的白色望遠鏡上，融通交匯。

2011年，「郭守敬望遠鏡」啟動巡天，一批重磅科研成果不斷湧現，比如重「畫」銀河系。

此前，天文學家們一直認為，銀河系的中心附近存在一個棒狀結構，外面呈盤狀結構，四周被較稀疏的恆星包裹，如同一個銀盤。距離銀河系中心約5萬光年的地方，有一個清晰的邊界，此處恆星數目驟然下降，銀盤如同被切割一般。

近年來，科學家在「銀盤」邊界外陸續又發現一些年輕恆星，它們也屬於「銀盤」，難道「銀盤」比已知的更大？

2017年年底，「郭守敬」找到了答案。中科院國家天文臺研究員劉超等利用「郭守敬望遠鏡」的觀測數據清點了銀河系外圍恆星的數目，發現更遠處的恆星和「銀盤」上恆星光譜特徵一致，這意味著整個「銀盤」的半徑延伸到6.2萬光年處，這比教科書上一直以來引用的銀河系半徑足足大了約四分之一。

2018年，劉超和團隊與西班牙加納利天體物理研究所科學家聯手，利用「郭守敬望遠鏡」以及國外望遠鏡觀測到的海量恆星光譜數據，進一步改寫了「銀盤」尺寸——其半徑可能達到約10萬光年，銀河系的疆界大大拓展。

「郭守敬」還發現了神秘的黑洞。

根據質量不同，黑洞一般分為恆星級黑洞、中等質量黑洞和超大質量黑洞。恆星級黑洞是大質量恆星死亡形成的，具有極其強大的引力。有理論預言，銀河系中有上億顆恆星級黑洞，但長期以來，天文學家僅發現了約20顆黑洞，這些黑洞的質量均小於20倍太陽質量。

2016年秋季，「郭守敬」發現了一個神秘的傢伙。

當時國家天文臺研究團隊正利用「郭守敬望遠鏡」開展雙星課題研究，監測一個小天區內的3000多顆恆星。在一個X射線輻射寧靜的雙星系統中，有一顆8倍太陽質量的藍色恆星圍繞一個「看不見的天體」進行周期性運動。不同尋常的光譜特徵表明，那個「看不見的天體」極有可能是一顆黑洞。研究人員隨即利用國內外多架望遠鏡進行確認，終於證實了黑洞的存在。通過計算，該黑洞質量大約是太陽的70倍。這顛覆了之前科學界對黑洞質量的認識。

國家天文臺首席研究員劉繼峰說，如果利用一架普通4米口徑望遠鏡來尋找這樣一顆黑洞，同樣的機率下需要40年的時間，而「郭守敬望遠鏡」用了不到兩年。

一個名為「黑洞獵手」的計劃已經啟動，趙永恆、劉繼峰他們相信，「郭守敬望遠鏡」將開啟批量發現黑洞的新紀元。

與「天眼」一起尋找地外文明

夜幕降臨，望遠鏡穹頂打開，隨地球轉動的「郭守敬望遠鏡」掃過北半球的中天。遙遠的星光投到反射施密特改正鏡上，再反射至主鏡，最後於焦面聚焦成像。

「郭守敬望遠鏡」取得的成就，趙永恆一點兒也不覺得奇怪，「我們把全球光學望遠鏡的門類從三種拓展到了四種。」

世界上第一臺望遠鏡是伽利略折射望遠鏡，它採用透鏡技術觀測天體。之後是牛頓反射望遠鏡，它不再使用透鏡，而使用反射鏡；再之後是施密特望遠鏡，它採用折反射技術。「郭守敬望遠鏡」則在施密特望遠鏡的技術基礎上再度創新，採用了主動反射系統。

「沒有『郭守敬望遠鏡』之前，想要觀測X射線、黑洞、脈衝星，就要到國外找設備找數據，」趙永恆說，「現在，我們有了自己的大望遠鏡，產出高質量的觀測數據，不僅能將中國天文觀測研究推到一個更高的層次，還能藉此培養出更多的天文科技人才。」

趙永恆正計劃著給「郭守敬望遠鏡」配備一個更強大的同伴——「把望遠鏡口徑加大到10米，加上我們獨創的主動光學技術，望遠鏡的焦面大幅擴大，可以裝下10000根光纖……」趙永恆越說越興奮，「我們現在已經收穫超過1000萬條光譜，以後再加上這個新望遠鏡，獲得1億光譜不是夢，那時，人類對浩瀚宇宙的認知將提升到全新水平。」

「郭守敬」還期待著與「天眼」的合作。

「中國天眼」——500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）正尋找著來自宇宙深處高智慧生命的信號。在趙永恆看來，「郭守敬望遠鏡」和「天眼」完全可以配合行動，「『天眼』是射電望遠鏡，用於捕捉宇宙中的電磁信號，一旦發現目標恆星，就可以交給『郭守敬望遠鏡』，用光學鏡片觀其『真面目』，甚至可以利用光譜解析出這顆星球的主要環境。」

陽光透過雲層，灑在「郭守敬望遠鏡」白色的「外衣」上，反射出耀眼的光芒。

伴隨著城市的發展，現代建築玻璃外牆的光反射，城市照明，已經開始影響夜間觀測。「我們可能會考慮給『郭守敬望遠鏡』搬個家，比如去觀測條件更好的西部地區。」趙永恆說。

不過，不管去哪，趙永恆都願意陪著「郭守敬望遠鏡」，在黑暗澄淨的宇宙中，尋找神秘的星光，「我還想看得更遠。」