“北半球最强”，4200米高山上的墨子巡天望远镜开启观测

从安徽飞往兰州或者西安，转机落地敦煌后，再开车四个小时来到青海冷湖镇。车窗外，茫茫的沙漠戈壁飞快向后掠过，落日余晖为远方的群山之巅镶上金边。

从2019年起，在这条从清晨到黄昏的行程上，中国科学技术大学教授、墨子巡天望远镜 (Wide Field Survey Telescope，WFST)总设计师孔旭数不清奔波了多少回。人迹罕至的荒漠信号断断续续，他也因此经常处于失联状态。

经过4年的建设，墨子巡天望远镜迎来高光时刻，9月17日，墨子巡天望远镜首光仪式在冷湖台址举行，望远镜将正式开启科学观测。作为北半球光学波段时域巡天能力最强的望远镜，它每3个晚上能够巡测整个北天球一次，可与预期在2025年投入使用的位于南半球的薇拉鲁宾天文台大型综合巡天望远镜（VRO/LSST）在天区覆盖上互补，实现全天时域监测，推动时域天文学的发展。

“鉴于墨子巡天望远镜的性能，我们希望它能尽早带来突破性的原始创新发现。”孔旭满怀期待。

9月17日，墨子巡天望远镜正式启用。中国科学技术大学供图

冷湖台址

墨子巡天望远镜所在的冷湖镇，近些年因天文观测声名鹊起。它位于青海省海西州，曾是我国重要的石油产地。随着上世纪80年代石油资源枯竭，冷湖逐渐萎缩成只有400个常住居民的小镇，镇上的出租车只有6辆。也正是由于海拔高、人烟稀少，这里几乎没有光污染，繁星璀璨的夜空格外通透。

“夜幕漆黑，绚丽的银河拱桥肉眼可见。”谈及“星垂平野阔”的壮美景象，天文爱好者小方难掩激动，“仿佛走到地平线尽头，就可以顺着天梯遨游星空。”

相比天文爱好者的感性，天文学家用更精准的数据评判了冷湖的观测条件。

光学观测台址是极其宝贵的稀缺资源，目前国际公认的最佳台址只有智利北部山区、美国夏威夷莫纳克亚峰、南极内陆冰穹地区。2017年开始，国内相关研究团队在海西州西部无人区开始台址搜寻工作，冷湖赛什腾山区走入天文学家的视野。经过数据监测，他们发现，冷湖赛什腾山C区（4200米标高点）的视宁度中值为0.75角秒，可与夏威夷莫纳克亚天文台址的条件相媲美。

墨子巡天望远镜安置于青海省海西州茫崖市冷湖镇海拔4200米的赛什腾山天文台址。中国科学技术大学供图

0.75角秒是什么概念？星光穿过大气到达人眼和设备，而大气压缩或者膨胀造成空气混乱流动，光线经过这些地方会发生弯折和抖动，大家经常看到星星“眨眼睛”，眨得越厉害，表示视宁度越差。

一个圆切成360份，每份是一度，把一度再切成3600份，其中一份是一个角秒。0.75角秒是眼睛分辨不了的非常小的角度。“视宁度越小，观测到的天体越稳定。大家在城市里看到的星星‘眨眼’觉得很美，而从这里看，星星是基本不闪烁的，这样的条件对于天文观测十分有利。”

当地少雨，全年降水量只有50毫米，每年有大约270个条件较好的观测夜。夜间，台址的气温波动（峰谷差）中位值仅为2.4摄氏度，这表明大气非常稳定，适合天文观测。“赛什腾山是戈壁上突然冒起来的一座山，前后没有遮挡，是很理想的天文台选址。”孔旭说。

冷湖国际一流台址的发现，为我国光学天文发展创造了重大机遇。在赛什腾山上，多个正在建设中的望远镜像珍珠一样散落在山间，它们白色的圆顶在连绵的石山上颇为抢眼，为壮丽的自然环境营造了科幻片般的神秘感。

30个望远镜的落地和建成，将使冷湖成为中国甚至亚洲最大的天文台。

“墨子”安家

从平均海拔2700米的冷湖镇出发到达赛什腾山，有一个半小时的车程。在山脚下，汽车沿着蜿蜒的盘山路向山顶驶进，深褐色的群山沟壑纵横，山上遍布嶙峋碎石，“小心落石”的提示牌让司机不由得多了一份谨慎和专注。

墨子巡天望远镜于2019年7月开始建设，彼时，专门为天文台址新建的盘山路还没有完工，孔旭到山顶勘查望远镜台址，需要先开着四驱车顺着山间炸出来的窄路到达山腰，坑坑洼洼的路面经常将车子颠到路面外。直至前方已经无路可行，他就背着方便面、水、黄瓜，攀爬3个小时到达顶峰。

高海拔地区稀薄的空气增加了登山的难度，陡峭山崖上还不时有落石滚下。有一次，团队中的一员攀登时将山石踩踏松动，山石掉落击中孔旭的膝盖，他简单处理了伤口，将血迹擦掉，坚持爬到了山顶。山上的紫外线强烈，孔旭曾被晒得脱皮，眼睛刺痛流泪。

在赛什腾山上安置30个望远镜，需要冷湖天文观测基地学术委员会进行讨论和统一规划。墨子巡天望远镜的位置可谓“黄金地带”，它位于一处4200米的较为平整的大山头。“这是当时可以到达的最高山峰，星光到达望远镜要穿过地球大气，望远镜越高，观测受到大气的影响就越小。”孔旭说，此地处于上风口，望远镜前面没有任何设施阻挡，周边空气平稳地从望远镜上方流过，不会对视宁度造成干扰。

今年7月底，望远镜本体和相机运抵台址，安装调试后于8月15日迎来首次工程观测测试。9月10日，新京报记者前往墨子巡天望远镜探访。站在海拔4200米的山顶，远处圣洁的雪山和辽阔的柴达木盆地让人内心平静，但缺氧的环境、8摄氏度的低温和尚未完备的工作条件仍是科研人员需要面对的挑战。由于山上暂未通水，他们在山下将饭菜打包上山后加热食用。

在望远镜的观测控制室，中国科学技术大学教授姜继安身穿厚实的抓绒冲锋衣，在电脑前通宵观测，白天再下山睡觉休息。他此前在日本国立天文台工作，从事时域巡天研究。为了墨子巡天望远镜，他于今年4月回国工作，“这个望远镜和我的研究契合度是100%的，它有无限潜力。”第一次来到赛什腾山时，他对这里很满意。“我不在乎工作条件是否艰苦，这里的观测条件很理想，没有光污染。环境越暗，越容易探测到更加遥远的天体或者暗弱的天体。”

与射电望远镜中国天眼（FAST）不同，墨子巡天望远镜是光学望远镜，工作在可见光波段。墨子巡天望远镜的名字是为了纪念中国古代科学家墨子，他在两千多年前首次发现了光线是沿直线传播的原理，并进行了小孔成像实验，被誉为“世界光学第一人”。

但墨子巡天望远镜与同属于光学望远镜的郭守敬望远镜（LAMOST）也不一样。郭守敬望远镜进行光谱观测，通过光谱，天文学家可以确定恒星的温度、压力和化学组成等。而墨子巡天望远镜进行图像观测，强调“时域巡天”。孔旭举例说，墨子巡天望远镜对着一块天空拍照，过几个小时再拍一次，两相对比，就得知哪个天体发生了变化。郭守敬望远镜素有“一眼千星”的美誉，而观测同样的天区时，墨子巡天望远镜可以给几亿个天体拍照。

姜继安说，墨子巡天望远镜可以对有趣的天体进行快速“初筛”，后续再和其他望远镜进行合作观测，发现更多天体的秘密。

北半球最强

夜幕降临，高度10米、重达50吨的望远镜圆顶缓慢开启，望向宇宙深处。

作为一台口径为2.5米的大视场光学成像望远镜，墨子巡天望远镜的搜索效率高、探测范围广，能够每3个晚上巡测整个北天球2万平方度一次，是北半球光学波段时域巡天能力最强的望远镜，可以发现暗弱至23等的天体。

在孔旭的带领下，记者参观了望远镜的内部。据他介绍，望远镜用30秒拍摄的一幅图像为1.76GB，相当于一部高清电影，一晚上可以获得1.6T的数据。望远镜内部有一台数据存储柜，如果网络中断，可以存储一个月的数据。这些数据通过光纤传送至中国科学技术大学，那里的数据中心可以存储20年的数据。内部还有一个嗡嗡作响的设备间，集中了防断电设备等发热的设备，将噪音和热源隔绝于内，否则热量会在空气中产生对流，影响大气视宁度。

在总设计师孔旭的带领下，记者参观了墨子巡天望远镜的内部。新京报记者 张璐 摄

在地下室可以清晰看到，重达50吨的望远镜支在一个圆墩上，和外围地面留有一圈缝隙，没有物理接触。“这是因为我们走路时有震荡，会影响望远镜的观测。地面和下面的基岩中间有70公分的缓冲沙，尽量克服人走路的震动对天文观测的影响。”

作为“北半球最强”，望远镜的研发过程极具挑战。孔旭说，望远镜采用了国际先进的主焦光学系统设计，覆盖视场直径3度，配备了7.65亿像素大面阵拼接CCD相机。

CCD是感光元件，可以将光子转换成电子读出，呈现数码图像。“9片CCD芯片拼接后要在零下100摄氏度的环境中工作，尽管芯片厚度不一，但拼接的平整度必须控制在20微米以内，否则望远镜就会出现‘近视’或者‘远视’的情况。”为了攻克这一难关，中国科学技术大学物理学院的王坚团队运用热力学仿真并多次改进工艺，达到了这一苛刻要求。

另外，2.5米大口径望远镜的主镜很薄，只有12公分，薄镜面竖直时受力比较均匀，但倾斜观测不同方向天体时，受力不均会导致镜面变形。为了突破这一瓶颈，中国科学院光电技术研究所科研人员采用了主动光学支撑系统，对主镜重力形变和热形变等进行实时矫正，使望远镜更好成像。

望远镜推进与建设，由中国科学技术大学负责牵头组织实施，中国科学院紫金山天文台予以全方位协助。建成后，由中国科学院紫金山天文台主要负责该设施的运行，中国科学技术大学予以全方位协助。在调试和初步观测阶段，观测控制室每晚至少有4人值班观测，目前中国科学技术大学已经建好了远程观测室，即将投入使用。

助力黑洞、近地天体等研究

墨子巡天望远镜首次调试观测，就获得了球状星团和旋涡星系的观测图像，姜继安在电脑中展示了一张望远镜拍摄的仙女座大星系M31的图像，这是距离银河系最近的大星系。“望远镜最大优势就是有很大的视场，能拍摄到很深的图像。我们希望能找一些大的天体图像作为首光图像，可以展现望远镜的性能。”

未来，墨子巡天望远镜将有哪些科学发现？

近年来，近地小行星飞掠地球的新闻时常引发公众关注。墨子巡天望远镜巡天数据可用于开展近地天体监测，助力预警和防御。近地天体指运行轨道靠近地球轨道的太阳系天体，包括小行星和彗星等。“构建尽可能完整的近地天体星表，还能监控它们对地球生命安全的潜在威胁。”孔旭说，墨子巡天望远镜开展全天图像巡天，可以探测、监视、编目和证认90%的潜在有威胁的尺寸大于140米的近地天体。

近地天体可能会携带太阳系中的原始物质，为研究太阳系起源提供关键线索。预期墨子巡天望远镜每晚的巡测可以观测到数千颗近地小行星。这些观测有望揭示近地天体轨道特征与动力学起源和物理特性，地球上水和生命的起源是否来自外太空。

前沿时域天文现象也是望远镜巡天观测的主要研究对象，包括引力波事件电磁对应体、黑洞潮汐瓦解恒星事件、伽马射线暴、快速射电暴、超新星激波暴等。

孔旭举例说，黑洞潮汐瓦解恒星事件是指一颗恒星被星系中心黑洞捕获，其物质被强潮汐力瓦解并形成一个或多个吸积爆发过程的事件。潮汐瓦解事件可以帮助天文学家更好地了解恒星的内部物质结构、强引力场条件下物质运动规律，同时研究黑洞的增长和演化。

探索的脚步永远向前，“我们在谋划下一代更大口径的望远镜，希望当地留一个位置，能够放置6-6.5米以上口径的望远镜。”孔旭说。

新京报记者 张璐

编辑 刘茜贤 校对 赵琳