中國為什麼耗巨資建造巡天望遠鏡？原來它有大用處

2020年4月中旬，各路媒體爭相報導了一則消息：「大視場巡天望遠鏡（WFST）」將在青海茫崖冷湖塞什騰山興建。

什麼是巡天望遠鏡？巡天到底有什麼用？今天我們來談談這個問題。

五花八門的望遠鏡

望遠鏡有許多種，中國最著名的自然是FAST，它的全稱是「500米口徑球面射電望遠鏡」（Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope）；而天文迷最熟知的望遠鏡自然是哈勃太空望遠鏡，它在距離地面538米的高度時刻凝視天空。

哈勃空間望遠鏡已經升空30年了

望遠鏡通常是通過接收電磁波來分析宇宙中電磁輻射的一系列科學設備的總稱。

我們將電磁波根據它的頻率與波長的不同分為γ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、微波包括亞毫米波，以及波長更長的各種無線電波。到目前為止，幾乎每一種射線都可以用相應的探測設備接收到，通過對這些電磁波的分析，我們可以一窺宇宙的變化，探索它的奧秘。

一般來說，接收可見光（包括一部分紫外線和紅外波長光譜）的稱為光學望遠鏡，哈勃太空望遠鏡就是一款典型的光學望遠鏡。而接收亞毫米波以至更長波長的設備，我們稱之為射電望遠鏡，比如FAST，它們典型的形狀是一些拋物面天線。

射電望遠鏡通常不向外發射，它只接收電磁波

在天文學家看來，天文學的研究不限於電磁輻射，他們還通過使用類似於望遠鏡的設備來探測宇宙中的其它信號，以獲得更重要的信息。比如：宇宙射線接收器、高能中性原子儀、中微子探測設備、引力波探測設備等等。

但是，我們不能讓這些昂貴的設備耗費大量時間自己去尋找目標，它們的壽命是有限的。

宇宙很浩瀚，望遠鏡很貴

據公開資料記載，位於貴州的FAST是目前全球口徑最大、也是最靈敏的球面射電望遠鏡，它的建造費用為6.67億RMB，加上其它的科學配套設施總共不到2億美元；哈勃太空望遠鏡在發射升空時的成本就達47億美元，至今它總共花了100億美元；詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）還沒上天，最初預算是16億，但它已經耗資超過100億美元；錢德拉X射線太空望遠鏡總成本超過28億美元。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡是個燒錢的無底洞

大型望遠鏡的成本動輒數億美元，太空望遠鏡耗資更以十億計，其平時維護的費用也所費不菲，加上它們的壽命有限，因此我們一方面要利用它們研究遙遠星球，同時又用它耗費大量寶貴時間在數以億計的繁星中尋找合適的目標，這顯然是不划算的。

於是我們需要一種望遠鏡來充當「掃地僧」，這就是巡天望遠鏡。

位於智利的巡天望遠鏡VST

巡天望遠鏡，全能「掃地僧」

巡天望遠鏡最重要的一個功能是進行天文調查，它通常以某幾個特定的角度觀測夜空並連續拍攝照片，隨著地球的旋轉，望遠鏡會將夜晚的天區整個掃描一遍；當地球完成圍繞太陽運轉一年，望遠鏡就能將自己所在的一半天球的圖像以及其中細微的變化通通記錄下來並製成星象圖。

在巡天望遠鏡拍攝的星象圖中，絕大多數的星星都是穩定的，科學家們通常更關注那些突然的變化，這種變化被稱為「瞬態天文事件」。

比如說，在兩張巡天望遠鏡拍攝的照片中，某些亮點發生了位置上的移動；某顆星的亮度發生了改變，它比以前更亮或更暗了；某顆星的周圍出現了光暈等等。這些變化發生的時間可能只有幾秒鐘，也可能是幾天、幾周甚至數年。

巡天拍攝的天區照片

巡天望遠鏡會忠實地記錄每一張照片，並通過計算機將其與之前的照片進行比對，當發現異常信號，計算機會立刻發出報警，提醒有相關興趣的科學家注意。

比如說，巡天望遠鏡拍攝到某一顆恆星的亮度每個星期會規律性地變暗。由於解析度的關係，照片上只會顯示光點的強弱，但科學家可以通過將哈勃望遠鏡對準這顆星星，凝視它，判斷它的身邊是否存在一顆未知的行星周期性地遮擋光線，深入了解這顆行星更多的信息，判斷它是否可能存在生命。

宇宙中有大量行星圍繞恆星運轉

再例如，當計算機發現某一顆星星突然變亮，科學家就能及時將錢德拉X射線太空望遠鏡對準它，因為這很可能意味著捕捉到一次完美的超新星爆發；操作FAST的科學家也可以將天線的焦點對準這裡，以更精確地接收來自一顆超新星更豐富的射電信息。

所有這些研究都屬於「時域天文學」的範疇，它是對天文物體，特別是對太陽系以外的天體如何隨時間變化的研究科學。

哈勃的超深場「凝視」

巡天望遠鏡還是地球的「守夜人」

巡天望遠鏡通常是光學望遠鏡，它通過可見光來記錄星空的圖像。

有一些望遠鏡用於純科學研究的目的，比如我國最著名的郭守敬望遠鏡（英文簡稱LAMOST，即「大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡」），它在8年的巡天過程中記錄下了北半球天區一千多萬條光譜信息。這為研究星系特別是銀河系的形成與演化提供了強有力的基礎性科學數據。

我們的大視場巡天望遠鏡WFST還有一個重要任務，就是跟蹤監視那些有可能威脅地球的小行星。

LAMOST對北天球的巡天「足跡」

在我們的內太陽系，行星之間並不是一無所有，恰恰相反，這裡遊蕩著數以十萬計的小型天體。其中一些天體的運行軌跡與地球軌道接近，甚至經常會穿越地球軌道，我們稱之為近地小行星。

當一顆直徑20米的近地小行星與地球相撞擊，它產生的破壞力相當於50萬噸TNT爆炸當量，這比當年美國扔到日本廣島的原子彈還要強25倍。因此盡一切可能發現這些在地球附近出沒的「幽靈」、精確計算它的運行軌跡、判斷它的威脅性、及時發出撞擊預警，便成為巡天望遠鏡的重要任務之一。

巡天望遠鏡發現高速運動的天體

WFST的優勢

據公開消息，我國的大視場巡天望遠鏡（WFST）已經開始了建造，其2.5米直徑的主鏡也已開始磨製，建成後，將成為北半球具備最高巡天能力的光學時域巡測設備。

目前在南半球已經有一組大型巡天望遠鏡（VST）正在服役，並且一座更大的綜合巡天望遠鏡（LSST）正在建造中，順利的話它將在2022年開始提供數據。LSST的主鏡面直徑達8.4米，投資達4.73億美元，它無疑將成為巡天望遠鏡的王者。

巨大的LSST巡天望遠鏡3D視圖

VST和LSST都設於智利的阿塔卡馬沙漠，儘管瀕臨太平洋，但由於太平洋反氣旋的存在以及山脈阻擋，這裡300萬年來幾乎沒有降雨，被稱為地球的「旱極」；加之高海撥、人煙稀少、沒有光汙染，因此成為天文觀測的聖地。

在北半球，我們建設WFST的選址也充分考慮了氣候因素。塞什騰山位於青海北部，山頂海拔4571米；這裡乾旱無風沙，睛空天數達60%以上；除了東邊的敦煌鐵路和G3011高速公路外，這裡方圓幾十公裡沒有人煙；視寧度為0.7角秒的天數佔監測總天數的比例超過50%。目前為止已經有30多個天文望遠鏡項目決定選址於此，塞什騰山未來將成為亞洲最大的天文觀測基地。

WFST地理位置優越，不可多得

為了準確記錄下夜空的所有信息，WFST還要有一隻敏銳的「眼睛」，這就是超大的CCD傳感器。WFST的CCD相機組合解析度高達7.5億像素，它可以每三個晚上就將整個北天球拍攝一遍。由於巡天精度高、視場大，WFST在時域天文、外太陽系天體搜尋、近地天體發現與跟蹤、近場宇宙學等領域將取得突破性原創成果，同時它還可以監視所有在軌道飛行的衛星、太空飛行器和空間碎片，這將進一步滿足國家在航天安全方面的需要。

WFST的超大CCD傳感器組將達7.5億像素