幻響未來全球追光①丨海拔4200米，探訪北半球“最強”巡天望遠鏡：看中國天文與浩瀚宇宙的時空對話

10月18日至22日，第81屆世界科幻大會將在成都舉辦。在距離大會開幕不足30天之際，紅星新聞、每日經(jīng)濟新聞聯(lián)合啟動“幻響未來，全球追光”大型融媒體采訪報道。特別報道組記者將奔赴全球五大洲探訪科技科幻地標，對話院士專家、科技企業(yè)，追尋科幻轉(zhuǎn)換為現(xiàn)實背后人類不同文明所共同擁有的科技與夢想之光。

今天，我們帶你攀上海拔4200米的青海冷湖賽什騰山，探訪近日剛剛正式投入觀測的北半球“最強”巡天望遠鏡——墨子巡天望遠鏡，領略中國天文與浩瀚星空的時空對話。

星空下的冷湖天文觀測基地（張程 攝）

近日，中國天文學界迎來一件喜事。

9月17日，來自中國科學院、中國科學技術大學、深空探測實驗室等科研院所近百名專家和學者，穿越七百余里的戈壁和沙漠，登上冷湖賽什騰山海拔4200米處。幾名天文學家已白發(fā)蒼蒼，也堅持帶著氧氣瓶，趕到這個小草都難以存活的地方。

“墨子巡天望遠鏡首光儀式暨科學戰(zhàn)略研討會”，紅底黃字的橫幅，掛在望遠鏡巨大的圓頂外圍。

5年前，這里荒無人煙；5年來，43臺天文望遠鏡在這里如火如荼地建設和研制，“墨子”是其中第一臺正式投入觀測的大型天文望遠鏡，這將使我國時域天文研究能力達到國際先進水平。

首光儀式上，中國科學院副院長、國家天文臺臺長常進院士與中國科學技術大學校長包信和院士共同揭開紅布，映入人們眼簾的，是墨子巡天望遠鏡試觀測階段拍攝的一張仙女座星系照片——兩個小時后，這張照片傳遍互聯(lián)網(wǎng)。

公元前5世紀，墨子就曾做過小孔成像實驗，發(fā)現(xiàn)了光直線傳播的規(guī)律。他在光學、幾何學、物理學等方面的突出成就，讓他被當代中國科學家奉為“祖師爺”。墨子巡天望遠鏡的名字，便是穿越千年的致敬。

墨子巡天望遠鏡拍攝的仙女座星系

墨子的“第一個夜晚”

一架天文望遠鏡往往要花費幾年甚至數(shù)十年的時間進行調(diào)試，不斷優(yōu)化性能。一如千年前墨子所言：甘瓜苦蒂，天下物無全美。

9月18日下午5點半，紅星新聞記者來到冷湖鎮(zhèn)一家酒店門口，與幾名青年天文工作者匯合。17日首光儀式當晚天氣狀況不佳，他們沒有進行觀測，而這天天氣晴朗，經(jīng)過兩個月試觀測的“墨子”將正式開工。

一行8人分乘一輛皮卡車和一輛SUV，趕往賽什騰山上的冷湖天文觀測基地。皮卡車貨箱里裝著幾大袋方便面、自熱米飯和水果，那是深夜里的補給。星星只在晚上出現(xiàn)，通宵達旦自然是天文觀測工作的常態(tài)。

從鎮(zhèn)上到觀測基地，車程約84公里。車窗外，一望無際的戈壁灘蔓延至天邊，數(shù)千萬年風蝕雕刻出奇絕陡峭的雅丹土堡點綴其間，更遠處祁連山余脈的積雪在云霧中若影若現(xiàn)。視野里幾乎看不到任何活物，只有賽什騰山下有一小片枯黃稀松的草場。沿盤山公路而上，不知道拐了多少個彎，豁然看到佇立在各個山頭的天文望遠鏡。

墨子巡天望遠鏡

墨子巡天望遠鏡位于海拔4200米處，被一座通體白色的圓拱形建筑包裹。操控室深入地下約5米，室內(nèi)的長桌上擺有幾臺電腦，控制著樓上圓頂里望遠鏡的運行。晚7點，參加當晚觀測工作的10名天文工作者各就各位，操控室里10余塊屏幕實時顯示著望遠鏡拍攝的畫面和各項變化的數(shù)據(jù)，繁忙的調(diào)試工作隨即開始：機架俯仰編碼器可靠性測試、主焦端六維調(diào)整機構低俯仰角重復定位精度測試、TCS(望遠鏡本體控制系統(tǒng))更新……

工程師顏昆摸黑走進樓上的圓頂，這里放置著三層樓高的“墨子”。他一邊檢查和調(diào)試，時而拿起對講機和樓下執(zhí)行當晚科學觀測任務的蔣凝博士等人溝通。時間來到晚9點，對講機傳來蔣凝和學生林哲宇說話的聲音：

“我主要想確認天暗了嗎？”

“（晚）九點了，可以拍星了。”

“好，就拍那個北黃極。”

顏昆在操控室里

此刻，夜幕低垂，群星灑向無垠天幕，銀河如一條流動的絲帶，在賽什騰山上空演繹著永恒的舞蹈。天窗已打開，墨子巡天望遠鏡指向夜空。銀河帶著群星向西移動，圓頂隨著觀測方位的調(diào)整而旋轉(zhuǎn)，偶爾發(fā)出轟隆隆的低鳴。隨著時間推移，電腦屏幕上出現(xiàn)數(shù)百張長條形的星空圖像，但隨動程序（圓頂與望遠鏡同步移動的功能）一度出現(xiàn)未知的bug，導致跟丟拍攝目標，大伙兒花了20多分鐘才解決。

緊張的調(diào)試工作

“墨子”正式開工后的第一夜，是不斷出現(xiàn)故障，又不斷嘗試解決的一夜。每當故障出現(xiàn)，操控室里大伙一邊更改程序指令，一邊激烈討論。而每當指令運行穩(wěn)定或故障解決，又會響起幾句“太牛了！”在現(xiàn)場參與調(diào)試工作的墨子巡天望遠鏡本體副總設計師張程女士告訴記者，一架天文望遠鏡往往要花費幾年甚至數(shù)十年的時間進行調(diào)試，不斷優(yōu)化性能。一如千年前墨子所言：甘瓜苦蒂，天下物無全美。

緊張的調(diào)試工作，一直進行到19日凌晨3點多，觀測室才漸漸安靜下來。忙碌之余，林哲宇打開手機刷了刷足球新聞，蔣凝和幾名工程師閉目養(yǎng)神。另一名工程師李生學撐著惺忪的雙眼，為監(jiān)視天氣裝框的相機錄制的星空畫面渲染上延時特效：鏡像里，滿天繁星隨著地球的自轉(zhuǎn)，勾勒出一幅梵高風格的“油畫”。

早晨7點，一行人下山回到宿舍時，天已透亮。

墨子巡天望遠鏡錄制的星空延時畫面，宛如梵高的油畫

懸崖上的廁所

山上沒有水和食物，他們要帶著大批水和方便食品上山。而更困難是，山上至今缺少完善的廁所，只有一個架在懸崖上的旱廁。

2020年，李生學大學畢業(yè)后回到青海，去了德令哈市郊區(qū)的中國科學院紫金山天文臺青海觀測站。三年前，他的首選是去廈門，那是大城市，有山有水。而青海的工作選擇相對較少，在他看來，他自己的專業(yè)和天文科學不對口，“我的專業(yè)能給望遠鏡提供技術支撐，和科學研究是不沾邊的。”

在德令哈，李生學為一臺13.7米射電望遠鏡做運行維護，那個望遠鏡像是人類的“耳朵”，“聆聽”來自遙遠天體的信號，他每天和電子元器件、設備和數(shù)據(jù)打交道，再把獲取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)交給科學組的同事處理。他并不能通過望遠鏡直觀地看到宇宙，這多少顯得有些枯燥。

這幾年，國內(nèi)諸多光學望遠鏡逐步向觀測條件更優(yōu)異的冷湖轉(zhuǎn)移。今年7月28日，李生學也轉(zhuǎn)移了過來，彼時，墨子巡天望遠鏡的本體正從成都拉往賽什騰山上，他和另外5名同事組成的運維團隊，將成為墨子巡天望遠鏡的“保護者”和“操控者”。

2021年6月，李生學第一次登上賽什騰山，為墨子巡天望遠鏡的圓頂軌道測量精度。那時候上山的柏油路還沒修好，緊挨懸崖的石子路缺少護欄保護，挖機在山上緊張作業(yè)，隨時都有落石的危險。“剛開始覺得這邊有一種荒涼的美，很遼闊，但是如果遇到天氣不好的時候，人的心情會比較壓抑。”他說。

荒涼如火星地表的冷湖地區(qū)

運維團隊幾乎都是青海本地人，長期生活在高寒地帶，但來到冷湖，依然會有高原反應。顏昆說，每次上山的時候，他都會出現(xiàn)一陣耳鳴，這種生理反應一直持續(xù)到現(xiàn)在。山上沒有水和食物，他們要帶著大批水和方便食品上山，海拔4000多米的地方，開水的沸點只有80多度，一碗方便面差不多要十分鐘才能泡軟。而更困難是，山上至今缺少完善的廁所，只有一個架在懸崖上的旱廁。

對于張程來說，上廁所更是一個無解的難題。旱廁距離操控室有近100米的山路，途中要經(jīng)過兩個步梯，夜路上寒風刺骨。作為山上少有的女性，張程通常選擇憋著。“上山之前我會上一次廁所，清理干凈，上來之后就不吃不喝。”說到這個事情，特別愛笑的張程笑得有些尷尬：“也只有這樣了。”

成都“智”造

曾經(jīng)，我國天文工作者做研究時，幾乎只能采用國外的觀測數(shù)據(jù)，一些天文工作者甚至連天文臺都沒有機會去。而今天，我國天文事業(yè)蓬勃發(fā)展，他們有了更多的機會走進天文臺，用上“made in China”的設備。

何為“巡天”？在冷湖鎮(zhèn)的科研工作者食堂里，國家天文臺研究員周旭指著天花板上的一盞燈向記者解釋：“比如說這盞燈是一顆星星，有的天文望遠鏡只對著一顆星星看。”接著他又指向另外幾盞燈：“但巡天望遠鏡都可以看，一會兒看這顆，一會兒又看那顆，到處巡視。”

墨子巡天望遠鏡包括望遠鏡本體、主焦相機、望遠鏡圓頂臺址和數(shù)據(jù)存儲分析四大分系統(tǒng)。2019年7月，其本體的研制任務，落在中國科學院光電技術研究所的身上，張程擔任該項目的副總設計師。此前，她做過1.2米、1.3米、1.8米口徑的望遠鏡，技術不斷進步，在2019年迭代到2.5米口徑的“墨子”。張程說，大型天文望遠鏡并不神秘，其基本構造和商店賣的小型望遠鏡是完全一樣的，只是被造得更大、更精密了：“口徑越大，聚光能力就越強，就越能看清更暗更小的目標。”

墨子巡天望遠鏡

墨子巡天望遠鏡本體的設計工作，花了近兩年，之后再歷經(jīng)約一年的時間完成所有零部件的加工。2022年10月，中國科學院光電技術研究所在成都雙流的一個大型車間內(nèi)，正式開始所有零部件的整體組裝和集成。

張程用盡可能通俗的語言，為記者解釋了建造過程：它分為兩部分，一是光學結(jié)構，“其實就是磨玻璃、做透鏡”。當玻璃磨好之后，需要建一個架子來做支撐，這便是第二部分機械機構。最后，再按照“搭積木”的方式，把玻璃和架子壘起來。而在這其中，鏡面本身的曲率半徑、每一個透鏡之間的間隔和偏差、物理上的“六個自由度”等，都需要按照設計要求精心控制。

今年7月30日，墨子巡天望遠鏡的本體，由一輛具有減震功能的氣墊車和一輛平板車，從成都拉到了冷湖賽什騰山上，由于運輸超寬超限，“墨子”還專門辦了“超限證”才得以上路。

9月17日，隨著墨子巡天望遠鏡拍攝的仙女座星系圖片傳遍全網(wǎng)，公眾也獲知了它優(yōu)異的性能，新聞上這樣描述：

它的口徑2.5米，配備7.65億像素的大靶面主焦相機，采用國際先進的主焦光學系統(tǒng)設計和主鏡主動光學矯正技術，可實現(xiàn)3度視場范圍內(nèi)均勻高像質(zhì)和極低像場畸變成像。它的通光面積大、雜散光少，系統(tǒng)探測靈敏度高，具備強大的巡天能力，能夠每3個晚上巡測整個北天球一次，為北半球光學時域巡天能力最強的設備。

張程和其團隊目前的任務，是要驗證“墨子”是否滿足觀測需求，根據(jù)需求不斷地調(diào)試，讓墨子巡天望遠鏡“最強”的稱號更加名副其實。

張程

曾經(jīng)，我國天文工作者做研究時，幾乎只能采用國外的觀測數(shù)據(jù)，一些天文工作者甚至連天文臺都沒有機會去。而今天，我國天文事業(yè)蓬勃發(fā)展，他們有了更多的機會走進天文臺，用上“made in China”的設備。但前路依舊漫長，國家天文臺研究員鄧李才曾說，美國在100年前就做出了2.5米口徑胡克望遠鏡，這其中的差距無比巨大。張程說，目前國際上已經(jīng)建成的光學望遠鏡最大口徑為10米的keck望遠鏡，而我國光學望遠鏡口徑最大的為4米。不過張程也表示：“我們不氣餒，我們在努力縮短差距。”

為了墨子巡天望遠鏡，張程在40歲出頭的年紀，頭發(fā)就白了一大片。她說，曾經(jīng)研制望遠鏡時，她只是某個分系統(tǒng)的負責人，而作為“墨子”本體的副總設計師，從光學結(jié)構、機械結(jié)構再到電工系統(tǒng)，都需要她來統(tǒng)籌安排，“操的心多了，頭發(fā)就白了一點，但也只是白，沒有脫發(fā)（笑）！”

張程有兩個孩子，大的上高二，小的上小學二年級。小孩喜歡給她打視頻，一天下來，小孩說的話從“媽媽，你來不來接我”、變成“媽媽，你回不回家吃飯”、再變成“媽媽，你晚上回不回家給我講故事”。這種時候，張程就不敢看視頻了，因為眼淚已經(jīng)流下，她會告訴孩子：“媽媽努力加班，盡量早點回來。”

為什么來這里？為什么做天文？

蔣凝說，他不會去追尋意義，享受科研的過程就行了：“宇宙中有太多的奧秘和驚喜，讓人一次又一次地感嘆。”

為什么要來到這個荒涼的地方做天文？有什么意義？

上世紀五十年代，鉆井隊在冷湖地區(qū)發(fā)現(xiàn)油田，他們在貧瘠的土地上一度建立起人口達十萬人的超級小鎮(zhèn)。隨后，石油資源枯竭，那個小鎮(zhèn)只留下一片廢墟和一段傳奇的拓荒史。2017年，當冷湖常住人口只剩下百余人時，時任冷湖行政委員會副主席的田才讓和鄧李才研究員，發(fā)現(xiàn)賽什騰山上光污染很少，星空璀璨，隨后爬了幾十次山以論證這里是否適合天文觀測，得出了視寧度極佳、適合天文觀測的結(jié)論。2021年，鄧李才團隊在《自然》雜志發(fā)表了在冷湖發(fā)現(xiàn)世界一流天文臺址的論證，引發(fā)國際關注。冷湖也因為這樣的科技內(nèi)核，一項科幻科普+旅游的產(chǎn)業(yè)隨之發(fā)展起來。

“視寧度說的是大氣湍流的擾動，視寧度越小，星星‘眨眼’的次數(shù)就越少，拍出來的星星就會更清晰。”當聊起冷湖天文觀測基地的“拓荒”史，李生學向記者解釋道。

李生學

李生學錯過了廈門，但沒有錯過星空，每當在賽什騰山上抬頭仰望，過往的遺憾煙消云散，“找不到更多語言來描述星空，除了震撼，還是震撼。”

8月的一天，墨子巡天望遠鏡在賽什騰山上完成了初步搭建，第一次把光調(diào)通之后，當晚對準一個焰火星系進行了拍攝。“我還記得，短時間的曝光，就拍出來了很清晰的旋臂，當時大家都很震撼，我有了很明顯的興趣提升。”李生學說，有的星空攝影師會通宵達旦，用極長的曝光時間去拍攝星云，但“墨子”只要一兩秒鐘就能實現(xiàn)。未來，他希望能通過“墨子”，得到專業(yè)上的提升。

因為星空，李生學還喜歡上了攝影，他常常帶著三腳架，在星空下一拍就是一個小時。李生學說，不久前墨子巡天望遠鏡總設計師楊戟發(fā)現(xiàn)了他的愛好，于是交給他一臺專業(yè)單反相機，“說讓我先用著……領導和家人的關心，也會帶給我安慰。”

在鄧李才看來，研究天文學并無多少現(xiàn)實意義，與普通人的生活關聯(lián)不大，但天文學中的新發(fā)現(xiàn)，不管是對科學發(fā)展還是人類經(jīng)濟生活，都有很大的關聯(lián)。例如5G的核心技術和CPU中的很多技術，都是從天文學發(fā)展而來的。

張程說，對于個人而言，她沒有去想過從事天文研究的意義，“工作交給我了，我就要踏踏實實做，我的目標是把項目做好”；而對于人類而言，張程認為天文學或許能解答“我們從哪兒來，要往哪兒去”的哲學問題。

蔣凝

蔣凝小時候生活在鄉(xiāng)下，夏天戶外納涼的時候時常仰望星空，產(chǎn)生無限遐想，甚至做過木星撞擊地球之類奇怪的夢，后來中學時看的一些科幻雜志也給了他在天文學上的啟蒙。上大學后，他偶然在圖書館里看到一本叫《黑洞與時間彎曲》的書，很快就被黑洞的奇妙和其精彩紛呈的研究歷史所深深吸引，于是在中科大物理學院眾多的專業(yè)中毫不猶豫地選擇了天文專業(yè)。他在美國博士聯(lián)合培養(yǎng)期間，有幸向那本書的作者、著名天文學家基普·S·索恩當面請教。“基普傳遞給我最大的感受，是從事科研要享受科學的樂趣，基普寫科普書、做科幻電影（如《星際穿越》），都是把天文學的樂趣和美妙傳遞給大家。”

當被問及天文研究的意義，蔣凝說，他不會去追尋意義，享受科研的過程就行了：“宇宙中有太多的奧秘和驚喜，讓人一次又一次地感嘆。”

蔣凝目前的主要研究興趣是黑洞潮汐撕裂恒星事件，這是一類罕見的天文爆發(fā)事件，發(fā)現(xiàn)極其困難，而墨子巡天望遠鏡正是發(fā)現(xiàn)它們的利器，他期待利用“墨子”帶給人們更多關于黑洞的美妙故事。

紅星新聞記者 王拓 攝影記者 趙牧