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“東方之眼”計劃：看宇宙，更遠更清楚

寧若楊

2025年03月27日 02:31

吳學(xué)兵 劉博洋

2017年8月，天文學(xué)界首次探測到兩個中子星并合產(chǎn)生的引力波信號GW170817，多個口徑達到8～10米的大型地基光學(xué)望遠鏡在很短時間內(nèi)鎖定這一目標(biāo)，快速測得其光學(xué)余輝的光譜信息，確認了這場宏大的星際碰撞發(fā)生在大約1.3億光年之外。

可以說，如果沒有這些觀天“巨眼”的協(xié)同觀測，科學(xué)界對這次重大科技事件的認識將遠不如現(xiàn)在這般清晰。這一幕讓無數(shù)人意識到：想要“盯緊”遙遠宇宙中那些最寶貴瞬間，離不開大口徑光學(xué)望遠鏡的強大“眼力”。

當(dāng)前，光學(xué)望遠鏡正在邁向8米、10米乃至30米級，但中國在這個領(lǐng)域卻尚存空白。如果我們不迅速填補這個空白，將會與許多重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)擦肩而過。

天文望遠鏡：人類認識宇宙的魔鏡

1609年，伽利略用一臺簡陋的折射望遠鏡觀測到木星的四顆衛(wèi)星時，他恐怕想不到，這次“偷看”宇宙的舉動，會給科學(xué)帶來劃時代的變化。在比伽利略此舉更早的70年前，哥白尼就大膽提出“日心說”，但當(dāng)時多數(shù)人仍深信地球是宇宙中心，堅守“天空至高無瑕”的傳統(tǒng)觀念。然而，經(jīng)望遠鏡放大后的星空展現(xiàn)出截然相反的景象：月面坑坑洼洼，木星周圍竟有四顆衛(wèi)星繞轉(zhuǎn)——這是何等離經(jīng)叛道！伽利略的觀測，為哥白尼“日心說”模型提供了強有力的佐證，也由此點燃了近代科學(xué)革命的燎原之火。

此后幾百年間，天文望遠鏡不斷加速進化，繼續(xù)深化拓展人類對宇宙的基礎(chǔ)認識，尤其是20世紀(jì)以來一系列發(fā)現(xiàn)，構(gòu)成了當(dāng)下人類對宇宙認識的基石。

20世紀(jì)初，美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃借助2.5米口徑的胡克望遠鏡，精確測得仙女座大星云的遙遠距離，由此以實測證據(jù)證實了宇宙并非僅有銀河系一個星系，還有無數(shù)其他獨立星系。之后，他又基于星系的譜線紅移觀測推斷出“宇宙正在膨脹”，從而拉開現(xiàn)代宇宙學(xué)的序幕。1948年落成的5米口徑帕洛馬天文臺海爾望遠鏡，再次刷新了觀測深度，幫助天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了類星體等前所未見的高能天體，讓人類對黑洞的理解更進一步。到了20世紀(jì)七八十年代，多臺2～4米級望遠鏡的高分辨率光譜數(shù)據(jù)，則讓美國天文學(xué)家薇拉·魯賓等人發(fā)現(xiàn)星系旋轉(zhuǎn)曲線的異常，推知有90%的質(zhì)量是我們看不見的暗物質(zhì)；到1998年前后，包含10米級望遠鏡在內(nèi)的多臺大型光學(xué)望遠鏡針對遙遠超新星的觀測顯示，宇宙竟在加速膨脹——這一發(fā)現(xiàn)揭示了暗能量的存在，為探索更深層次的新物理理論打開了大門。

值得注意的是，從20世紀(jì)90年代開始，世界各國迎來了8～10米光學(xué)望遠鏡的建設(shè)浪潮。在夏威夷莫納克亞山上，美國豎起兩架10米口徑的凱克望遠鏡，日本打造了8.2米昴星團望遠鏡；歐洲南方天文臺在智利建成四臺8.2米的甚大望遠鏡；西班牙則擁有10.4米口徑的加那利大型望遠鏡。這些“巨眼”讓人類得以窺探星際氣體云中星系與恒星誕生的壯麗場景，捕捉太陽系外行星的微弱光芒并分析其大氣組分，以尋覓未來人類的“第二個地球”，還為科學(xué)家在引力波事件電磁對應(yīng)體觀測中提供了至關(guān)重要的后續(xù)證據(jù)。

當(dāng)下，3大30米級巨型光學(xué)望遠鏡工程——歐洲極大望遠鏡、美國的30米望遠鏡和巨麥哲倫望遠鏡，正蓄勢待發(fā)，將深空探索推向新高度。其中尤以口徑39米的歐洲極大望遠鏡進展最快：目前整體建設(shè)進度已過半，望遠鏡圓頂安裝完成，主鏡的798塊子鏡已全部制造完畢，正在拋光、測試和運抵現(xiàn)場。歐美在這一領(lǐng)域的進展揭示，大型地基光學(xué)天文望遠鏡領(lǐng)域，仍然是頂尖科技強國群雄逐鹿的科學(xué)高地。

大型通用光學(xué)望遠鏡：我國天文學(xué)的短板

在世界天文學(xué)發(fā)展歷程中，我們常聽到：“誰掌握大口徑望遠鏡的觀測權(quán)，誰就能在天文學(xué)前沿搶占先機?！苯?0年來，我國在天文望遠鏡領(lǐng)域發(fā)展迅速，已擁有500米口徑射電望遠鏡FAST、高海拔宇宙線觀測站LHAASO，以及慧眼X射線衛(wèi)星HXMT、愛因斯坦探針衛(wèi)星EP等尖端設(shè)備。但在光學(xué)望遠鏡領(lǐng)域，我國最大的通用光學(xué)望遠鏡口徑仍停留在2~4米級別，與歐美日等國已運行20多年的8米、10米望遠鏡差距甚遠。

這并非只是口徑數(shù)字上的落后，它直接影響科學(xué)發(fā)現(xiàn)的速度與廣度。例如，F(xiàn)AST探測到快速射電暴（FRB）這樣的神秘天體時，需要向國外10米光學(xué)望遠鏡申請觀測時段以獲取光譜信息，運氣不佳時只能“排隊等待”，毫無主動權(quán)；青海冷湖2.5米口徑的墨子巡天望遠鏡WFST或在軌的愛因斯坦探針衛(wèi)星EP，發(fā)現(xiàn)許多難得一見的“暫現(xiàn)源”，想要確認其物理機制，也不得不“求助”國外大型光學(xué)望遠鏡做后隨光譜觀測。我國大規(guī)?？臻g觀測即將上馬——被稱為“中國哈勃”的中國空間站2米口徑巡天空間望遠鏡CSST，將對17500平方度天區(qū)進行多色測光巡天，勢必會產(chǎn)生海量奇特天體的候選體。然而，我國如若沒有自己的8～10米級望遠鏡做后隨光譜觀測確認，這些發(fā)現(xiàn)機會極有可能在數(shù)據(jù)公開后被他國科學(xué)家快速“截和”，從而讓我國科學(xué)家錯失無數(shù)本屬于自己的寶貴發(fā)現(xiàn)。

更為關(guān)鍵的是，我國若想在今后建設(shè)20米、30米級的地面光學(xué)望遠鏡，或6米到10米口徑的空間拼接望遠鏡，就必須先在地面8米級望遠鏡建設(shè)上取得技術(shù)與工程的經(jīng)驗累積。只有真正擁有并運營一臺8米級以上的光學(xué)望遠鏡，我們才能在更大更先進的望遠鏡研發(fā)中占據(jù)主動。

從拼接鏡片的研磨、主動光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)控到儀器系統(tǒng)的集成與維護，大口徑望遠鏡本身就是一項大型工程集群，需要整合光學(xué)、電子、材料、機械、信息等多學(xué)科前沿成果，是對高端制造業(yè)、光學(xué)工程、探測技術(shù)、數(shù)據(jù)處理能力的一次重大考驗與機遇。建設(shè)這種大型先進裝置，能夠帶動多領(lǐng)域“卡脖子”關(guān)鍵技術(shù)的突破，將對我國整體工業(yè)與基礎(chǔ)研究水平的提升帶來深遠影響。

EAST望遠鏡：中國的“東方之眼”計劃

為填補這一空白，北京大學(xué)牽頭在2022年提出了以“多元化科技投入”方式，建設(shè)8米口徑拼接鏡面通用光學(xué)望遠鏡的計劃，將其命名為“EAST”（Expandable Aperture Segmented Telescope），寓意為建在世界東方、可不斷擴展口徑的“東方之眼”。

工程規(guī)劃分為兩步走：先在2028年前完成約6米拼接鏡面，隨后在2030年前擴增到8米通光口徑。整個望遠鏡將設(shè)置多種觀測模式，涵蓋可見光和近紅外波段，配置豐富的焦面儀器系統(tǒng)，為多樣化天文觀測研究提供堅實平臺。

EAST望遠鏡包括望遠鏡本體、圓頂系統(tǒng)和儀器系統(tǒng)。本體建設(shè)包括整個望遠鏡光學(xué)系統(tǒng)（主鏡系統(tǒng)、主動光學(xué)系統(tǒng)、副鏡系統(tǒng)）和控制系統(tǒng)等。主鏡系統(tǒng)采用1.44米六角形子鏡（擬采用微晶玻璃材料）拼接，第一期建成機架、圓頂，主鏡由中心18塊子鏡拼接，鏡面尺寸約6米（5.76×6.24米），通光口徑為5.5米，副鏡為口徑1.2米的凸面鏡。第二期在外圍再加上18塊子鏡（總共達36塊），主鏡鏡面尺寸約8米（7.92×8.73米），通光口徑為7.8米。光學(xué)系統(tǒng)焦點包括卡氏焦點和耐氏焦點（預(yù)留主焦點）。整個望遠鏡采用地平式機架，首期建設(shè)時機架系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)按8米望遠鏡配置，留有足夠擴展空間。圓頂采用平開式柱形圓頂，四周可開窗通風(fēng)，直徑約30米，高度約28米。完全建成后，EAST將成為與國外8～10米級望遠鏡具有同樣先進水平的通用型光學(xué)望遠鏡，為中國天文學(xué)家提供多樣化的觀測利器。

EAST項目擬落戶青海省海西州冷湖鎮(zhèn)賽什騰山，海拔約4300米，天光背景暗、晴夜時間比例超過70%，大氣視寧度中位值僅0.75角秒，綜合指標(biāo)達到國際一流水準(zhǔn)。當(dāng)?shù)卣餐ㄟ^出臺相關(guān)法令，強化保護天文觀測環(huán)境，為項目基礎(chǔ)設(shè)施與后勤配套提供了有力支持。2023年4月9日，“成長型通用光學(xué)望遠鏡項目論證會”在北京大學(xué)舉行，多位院士專家達成共識：EAST的建設(shè)具有重大而緊迫的必要性，技術(shù)路徑清晰可行。隨后，北京大學(xué)與青海省海西州人民政府、西華師范大學(xué)等相繼簽署合作協(xié)議，為后續(xù)項目落地、經(jīng)費籌集、工程設(shè)計等環(huán)節(jié)奠定了基礎(chǔ)。目前，EAST的相關(guān)工作都在緊鑼密鼓地進行中。

EAST不僅能使我們探測宇宙時看得更遠更清楚，它也將成為一座“孵化器”，培養(yǎng)新一代天文學(xué)家、光學(xué)工程師，帶動精密機械、先進材料及電子信息領(lǐng)域的深度協(xié)作。這臺“東方之眼”也將與國際上的8～10米級望遠鏡平起平坐，甚至進一步協(xié)同即將問世的30米級巨型望遠鏡，共同揭秘宇宙未知。

如果說天文學(xué)是人類仰望星空的永恒初心，那么EAST就是我們在這一初心上邁出的實質(zhì)一步?；蛟S在不遠的將來，我國科學(xué)家憑借EAST的高精度觀測，能為全球天文界送上更多突破性的驚喜時刻。

（作者：吳學(xué)兵、劉博洋，分別系北京大學(xué)物理學(xué)院天文學(xué)系教授，中國空間站工程巡天望遠鏡北京大學(xué)科學(xué)中心主任；成長型通用光學(xué)望遠鏡EAST籌備委員會副主任）