太空望远镜的新天地

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作为世界上光谱观测量最大的望远镜，拉莫斯特能同时观测4000颗星星，极大提高了对星星们进行“户口普查”的效率……作为我国第一台进入国际研究前沿的大型望远镜，拉莫斯特将被写进望远镜的历史。

山顶上的“导弹发射井”

河北省境内燕山山脉深处，群山峻岭之间有一座海拔960米的山头。每当夜晚降临，山脉之上的晴夜将会拉开帷幕，上演一场精彩的演出。仿佛上帝之手拉动了一个神秘的开关，万里无云的夜空中出现无数眨眼睛的星星。
这是位于承德市兴隆县境内的天文观测站，山脊上一座座圆形的拱顶就是一台台天文望远镜。这群拱顶间有个雪白崭新的异类，被世界顶级的学术期刊《科学》（Science）喻为“充满未来派风格的导弹发射井”，它便是新落成的拉莫斯特（LAMOST）望远镜。芝加哥大学的天文学家唐纳德·约克（Donald York）看到它时说：“说实话我很震惊。”
约克是美国斯隆数字巡天项目的主任，这个项目通过使用设立在阿帕拉契山顶天文台的斯隆数字巡天望远镜，对星星们进行“户口普查”。斯隆望远镜直径2.5米，有640根光纤，能同时观测640个天体。1999～2005年，此项目的第一期观测共获得了67.5万个星系、9万个类星体和1.85万个恒星的光谱，目前所进行的第二期观测正在对24万个恒星进行光谱观测。
然而这些还不够。面对浩瀚无垠的星空，天文学家们想看得更深、更远，发现更多更暗的天体，进一步做好星星的“户口普查”工作，于是拉莫斯特望远镜诞生了。此前，斯隆数字巡天望远镜是世界上光谱观测量最大的望远镜，但是拉莫斯特能同时观测4000个天体，是斯隆数字巡天望远镜的5倍多，从而一举将斯隆望远镜的霸主地位取而代之。
拉莫斯特的全名在普通人听来非常拗口，叫做“大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜”（The Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope），拉莫斯特只是它英文缩写LAMOST的中文译名。
“所谓‘大天区面积’就是巡天。望远镜有两大类，一类是哈勃望远镜那种盯紧单个天体、观察细节的望远镜，这是现在大望远镜发展的一个趋势；还有一类就是拉莫斯特这种重视广度的望远镜，用普查的方式大规模观测天体，叫做‘巡天’，能为大量天文工作提供基本素材。如果用照相术语来说，前者是长焦镜头，后者是广角镜头。”拉莫斯特项目总经理、国家天文台研究员赵永恒告诉本刊记者，“哈勃之类的望远镜主要做成像观测，它能够发现新的天体，拍照记录天体的亮度和位置。拉莫斯特的目的既不是拍照也不是发现新的天体，而是要捕获已知天体的光谱，从中得到更多的信息。”
目前，由望远镜所拍摄的巡天照片已经记录下数以百万计的天体，但是它们中只有约万分之一的天体进行过光谱测量。学过中学物理的人都知道，每种原子都有自己的特征谱线，可以根据光谱来鉴别物质，确定其化学组成。虽然普通人压根儿看不明白光谱那心电图般的曲线，但是天文学家能从中读出很多信息，比如天体的化学组成、温度、压强、磁场、密度等。好比说，以前知道了有这个人，还要知道这个人的年龄、性别、种族、受教育程度、婚姻状况等等，拉莫斯特所做的，就是更进一步去“八卦”星星们的“隐私”。
目前，拉莫斯特正处于最后的验收阶段。验收完毕后，它将在兴隆观测站万里无云的晴夜里，缓缓打开圆拱和两片镜面之间的大门，接收来自遥远太空的点点星光，窥视宇宙中难得一见的秘密。37块蜂窝型镜片拼接而成的镜面就是它的眼睛，星光照到上面，通过拱形大门反射到斜上方另一块由24块蜂窝型镜片拼接而成的镜面上，再反射到它的视神经，于是它就可以“看”到了。焦面上安装的4000根光纤就是4000根视神经，来自每颗星星的光被每一条光纤收纳，随后被导入下面链接的16台光谱仪，通过分光得到每颗星星的光谱。
星星们的秘密，就在这里。

拉莫斯特的使命

星星们有什么秘密呢？
尽管人类对它们充满好奇并进行了不懈的观察，但是星星在很长一段时间内仍属于神秘学说的范畴。直到1825年，法国哲学家孔德仍在《实证哲学讲义》中断言：“恒星的化学组成是人类绝对无法得到的知识。”他试图以此来说明人类认识的局限性，但是这个预言在30年后就被天体光谱技术打破了。
光是人类了解宇宙复杂奥秘的指引，只要物体会辐射或者反射光，就能从中得知物体的很多性质。因此，天文学史可以说是人类学习如何解读光的历史。在天文学里，看得越远代表看得越古老，到达地球被我们看到的星光，实际上是那颗星星若干年前发出的光，你所看到的只是它若干年前的样子。
一旦知道光是了解宇宙的关键所在，人类便发明了各种仪器来捕捉各种不同形式的光并加以分析。拉莫斯特就是其中的一种仪器，而且它非常幸运，用国外天文学家的话来说，“世界上有很多成像巡天望远镜，但是缺少光谱分析巡天望远镜，拉莫斯特正赶上了好时机”。
拉莫斯特的观测目标是100万个星系、100万个类星体，外加1000万颗恒星的光谱，将会以更高精度的方式来确定宇宙的组成和结构。天文学家期待拉莫斯特回答天体物理和宇宙学中的重大基本问题，比如宇宙的结构、星系的形成和演化等等。对于这些物理问题的研究，必须依赖于大量样本的统计性质，才有可能从观测资料中确定哪些过程决定了宇宙中各种天体的性质，并从中寻找关键点。
“就拿银河系来说，对于它的结构我们并没有明确的想法。它包含了上千亿颗恒星，知道得越多就越可能推断出它是如何形成、演化的。通过拉莫斯特的观测结果，我们可以一颗星一颗星分析，从而形成海量数据后分类，比如银河系刚形成时有哪些元素，超新星爆炸后又有哪些元素，重元素如何越来越多，银河系是否一直在吞并周围的小星系……”赵永恒告诉本刊记者，“再比如，拉莫斯特得到的数据能够推算出星系的三维分布，用于分析关于宇宙的不同物理模型，包括宇宙大爆炸、暗物质、暗能量等等，对宇宙起源问题进行进一步认识。”
国家天文台研究员陈学雷则向本刊记者表示：“对于我所从事的宇宙学研究而言，希望通过观测大量星系的红移，确定在大尺度上物质的分布特征，再把这些特征与理论相比较，来确定暗能量的性质。”
按照国际惯例，望远镜获得的数据在头两年的保护期内会无偿提供给本国的天文学界使用，两年后对国际公开。陈学雷说：“过去做研究，我们主要是使用国外已发表的数据，这样很难有新的发现，只能是提出新的理论解释，或者比别人算得更准更细。如果我们有自己的数据，就可能会在研究上取得主动权，得到更好的成绩。拉莫斯特是我国第一台进入国际研究前沿的大型望远镜，希望它能帮我们做出重要的新发现。”
“拉莫斯特是光谱工厂，批量生产数据，天文学家可以根据课题下‘订单’，然后由我们提供‘产品’。”对于拉莫斯特日后的使用，赵永恒非常期待。

最富挑战性的设计

拉莫斯特在世界望远镜的队列中，除了是世界上光谱观测量最大的望远镜之外，头上还有两个光环。“一是它解决了大视场和大口径的矛盾，二是它完美地采用了主动光学技术，这是最富挑战性的设计。”拉莫斯特项目总工艺师李国平向本刊记者介绍。
目前，世界上进行巡天工作的望远镜基本都是施密特望远镜。这是上世纪30年代德国光学家施密特发明的折反射望远镜，用球面反射镜作为主镜，在球心处安放一块“改正透镜”，大大增加了望远镜的有效视场，在“巡天”工作中起到了无可替代的巨大作用。
“施密特望远镜的聚光能力随着口径的增大而增强，望远镜的聚光能力越强，就能够看到更暗更远的天体。但是，在制造望远镜时，追求口径就要牺牲视场，反之亦然。”视场小的坏处就是视限太窄，要对天体一个或几个的进行扫描。试想一下，如果用这种速度巡天的话，要巡到何年何月？
以前，只有反射型望远镜可以做到8～10米的大口径，并且计划发展到30～50米，但是斯密特望远镜只能做到直径1米多。“这是因为透镜镜片使用的是微晶玻璃，虽然热胀冷缩的情况下变形很小，但是越大加工越困难，以目前的加工技术只能做到1米多，并且非常昂贵。”李国平说。
后来，国家天文台苏定强院士想出个好办法，把施密特望远镜的透镜换成反射镜，变成反射型施密特望远镜。这样一来就解决了口径和视场的矛盾，将拉莫斯特建造成既能看得远又能看得广的超强望远镜。
这个改动听起来简单，但是过去为什么一直没有人提议？“这是因为当时主动光学的技术没有解决。”赵永恒说。望远镜在观测天体时，需要根据不同的任务调整观测角度，这样它的不同部位就会因为重力发生微小的变化。一旦镜面变形，就会使星像变得模糊，从而威力大减。“比如这张纸，手掌平托和斜托着它，它的弯曲程度会有微小的变化，要调节后面所施加的力来保持它在变化姿势时不发生形变。”赵永恒向本刊记者一边比画一边说，“即使是变化，也是微米级的变化，靠每块镜片后的3个支撑点进行调整。没有主动光学技术时，望远镜最大直径是5～6米，有了主动光学以后就发展到8～10米。”
除了这两大特点，还有让设计者们非常得意的地方。拉莫斯特焦面上的4000根光纤，可以看作是来自不同源头的“水渠”，光谱吸收系统就是“水库”，通过各个渠道引来光谱信息。这4000道水渠是并行的，通过计算机控制做出任何调整。和拉莫斯特相比，斯隆望远镜显得有点“笨”。斯隆望远镜的光纤要逐一手工插接在预先钻好孔的铝板上，再安装到望远镜上，既繁琐又浪费了大量金属材料，而且一旦出错难以弥补。比如斯隆第一期巡天任务就消耗了3000块光纤板，可谓一项浩大的工程。而拉莫斯特光纤定位系统则以相当大胆的设计，节约了材料、资金和时间，受到了一致好评。
当然，3亿元人民币打造的拉莫斯特也并非无所不能。作为一种光学天文设备，它既不能与20亿美元级的哈勃太空望远镜的“高空间分辨率”性能相比，也不能与每台1亿美元的“8米级”望远镜的精测能力相比。“但是拉莫斯特的大范本数据提供，也不是哈勃空间望远镜和‘8米级’望远镜所能做到的。”赵永恒告诉本刊记者。
实际上，并非天文学界人人都是拉莫斯特的“粉丝”。除了艰难的技术挑战之外，兴隆的观测条件也并非理想，比如大气扰动比较强烈、光污染越来越严重、刮来的尘沙会对光洁无暇的镜面造成损害等等。“但是兴隆已经是在可选范围内最好的选择，每年的平均可观测夜数不少于240天。如果将来能在青藏高原找到好的天文台台址，我们会考虑建造更大的拉莫斯特。”
而且，建造了一台先进的仪器也并不代表就会得出先进的成果。对此陈学雷表示，虽然拉莫斯特有自己的独到之处和先进性，但也面临着国外类似项目的竞争，人才、经验方面都有很大差距，也可能投入了大量的时间精力之后却发现，研究成果依然是外国人做出来的。“所以，我对拉莫斯特的认识比较客观，既有期待，但也不会太高。”他说。
不过，这毕竟是我国天文学追赶世界先进水平所迈出的第一步。唐纳德·约克先生就大赞拉莫斯特“非常美丽，也完成了技术上的突破”。在接下来的时间里它将开始运行，指引天文学家发现宇宙深处的美丽新世界