世界上最大的数码相机 来了!天文学革命?(组图)

下一场天文学革命就要到来了吗？前往“革命”的道路是一条长达35公里的狭窄、曲折的土路，道路的终点是海拔2682米的孤独山顶，它位于世界第二高的安第斯山脉，被智利人烟稀少的干旱沙漠包围着。这里是回顾宇宙历史的绝佳之地，每年能有256个晴朗的夜晚，来自几百亿光年外的光，可以没有障碍地到达人类的巨大“眼睛”——一台分辨率达32亿像素的“世界上最大的数码相机”，配备在直径8.4米的望远镜主镜上。望远镜每三天就可以“观察”完整的南半球夜空，哈勃太空望远镜需要120年才能拍摄同样面积的天空。 这就是耗资5亿多美元、耗时9年建设的薇拉·鲁宾天文台，由美国国家科学基金会和美国能源部共同资助。今年5月，天文台最重要的相机设备乘坐飞机跨越了赤道和1万公里，从美国加州顺利抵达智利，然后被小心翼翼地放入一座充满棱角的多边形建筑里。这种独特的设计不同于常规的圆形穹顶型天文台，外观看起来充满简洁的未来感，从主镜舱室延伸出来的细长结构是天文台的服务和运营大楼，整个建筑远远望去像一艘航行在太空中的舰艇，望远镜所在的“头部”就是人类看向宇宙深处的“瞭望台”。 就在今年10月28日，“巨眼”相机已捕捉到了第一批来自宇宙的测试数据，目前鲁宾天文台正在进行最后的组装，预计2025年中期将正式投入使用。一旦“巨眼”真正对准天空，就会开启一次为期十年的大型巡天计划，有望捕捉到“比之前所有天文望远镜加起来还多的宇宙图像”。这也意味着，人类可能补上神秘宇宙中最重要的几块未知拼图：暗物质、暗能量以及宇宙起源与演化的历史，更重要的是，人类如何理解自身存在的方式。 “制作宇宙的数字彩色电影” 这是一颗可以被载入史册的罗马花椰菜。


2020年1月，SLAC 国家加速器实验室，研究团队用鲁宾天文台望远镜相机中的成像传感器阵列拍摄的花椰菜高清大图，这是人类有史以来单次拍摄的最大图像。图/鲁宾天文台 它凹凸不平的表面上满是球状结构，这些球状凸起之上又分布着细细密密的小型凸起，乍一看很像沉寂已久的珊瑚岩——这些细节第一次如此精细地呈现在人类面前是2020年1月，在位于美国加州旧金山湾区的斯坦福直线加速器中心（SLAC）国家加速器实验室里。 研究人员将一个特殊的“镜头”对准了花椰菜，然后拍下了这张分毫毕现的黑白数码照片，这张照片拥有全球单次成像最高的32亿像素，它的分辨率如此之高，必须用378块4K超高清电视屏幕才能完整地展示出一张图像。作为对比，一台智能手机的相机镜头仅有2000万像素。





“世界上最大的数码相机”内部构造。图/鲁宾天文台 这就是“巨眼”，一台专为鲁宾天文台研发的“世界上最大的数码相机”。它的体积大约相当于一辆小汽车，重约3000公斤，前镜头直径达到1.65米，这些参数共同使它获得了一张吉尼斯世界纪录证书。与普通的数码相机类似，它的核心构件也是一个焦平面，由201个成像传感器组成，主要负责捕捉物体发出或反射的光，再将其转化为电信号，以此产生图像。 但不同之处在于，这些传感器的设计要远比普通相机复杂得多，它们以一组九个的方式拼接到一起，就像一个巨大的马赛克，单个传感器的尺寸能达到71厘米，相比之下，一台专业数码单反相机的传感器尺寸仅为35毫米。传感器尺寸越大，感光面积越大，成像效果就越好，这是“巨眼”具有超强“视力”的重要原因，它甚至能看清24公里之外的一颗高尔夫球。 “相机越大，我们能看到的天空就越大。”SLAC国家加速器实验室粒子物理学和天体物理学教授、鲁宾天文台副主任兼相机项目负责人亚伦·鲁德曼说。他指出，鲁宾天文台望远镜不仅灵敏度极高，而且视野广阔，可以同时覆盖“相当于七个满月”的天空区域，这些包含数十亿颗恒星和星系的图像将有助于揭开宇宙的秘密。 对地面的天文观测者而言，天空是360度的，满月只能占据0.5度，“七个满月”约为3.5度，是天空中很小的一部分。但即便如此，对望远镜而言，这也是很大的突破，同样位于智利的甚大望远镜（Very Large Telescope，英文缩写为VLT）的视野范围只有“两个满月”。 受访专家指出，鲁宾天文台望远镜最大的优势是既可以观测到更大范围的天空区域，也可以捕捉到细节极其丰富的天体图像，特别适合大规模巡天任务，研究宇宙演化、星系形成等“宏大的宇宙事件”。相较而言，著名的韦伯望远镜则擅长在红外光谱下观测，这使它能够透过尘埃探测到遥远的非常暗淡的物体，更适合对特定目标“解剖式”观测，如研究特定的早期星系、恒星等对象，二者之间可以形成良性互补。 宇宙有很多爆裂瞬间，每时每刻都在发生着爆炸、坍缩、分裂与碰撞，这些事件中的大多数都会被人类错过，因为它们距离我们太远了，发出的光很微弱，只有最“幸运”者才能恰巧捕捉到，因此，对天文学观测而言，最重要的问题只有一个：如何在“对的时间”看向一片“对的天空”？ 鲁宾天文台提出的“时空遗产调查”大型巡天计划（Legacy Survey of Space and Time，英文缩写为LSST）或许提供了一种可能的答案。这架大口径、宽视场的望远镜将在六个波段对整个南半球夜空循环往复地地毯式扫描，灵巧的设计可以使镜头快速移动，短时间内从一个目标天区切换到另一个目标天区，每个视野都会进行两次15秒的曝光，每三天，就能完成对整个南半球天空的扫描。这意味着，每三天，天空的同一区域就能被重复观测一遍，这一模式将持续十年，将进行约560万次15秒长曝光，形成人类自有天文观测以来“最宽、最快和最深的天空数据集”，比目前最大规模的巡天图像库还大数千倍。 这种调查策略的最特殊之处，正在于其高频率的重复性，曝光的顺序和节奏至关重要。过去的多项巡天计划也都会对准很广阔的天空，涵盖从射电到伽马射线的多个波段，但能做到鲁宾天文台这样系统性的观测是极其罕见的。“我们将获得整个天空的深度影像，更为重要的是，能取得同一区域的延时摄影，看到哪些恒星的亮度有变化，小行星的移动轨迹是什么。”加州大学伯克利分校天体物理学家和宇宙学家、鲁宾天文台前项目主任史蒂文·坎恩对《中国新闻周刊》解释。他强调，在十年内，鲁宾天文台将对南半球天空的每个部分都进行约 1000 次成像。 “我们正在制作宇宙的数字彩色电影。”鲁宾天文台首席科学家托尼·泰森说。“想象一下，这样的电影中，我们将能够直接观察到超新星的爆炸过程。这是此前人类从未有过的能力。”美国国家科学基金会鲁宾天文台项目主任艾德·阿贾尔对天文学的未来非常乐观。 天文学家们预计，当鲁宾天文台望远镜2025年开始运行后，其持续性的天空扫描将“累积”出一部浩瀚而宏大的宇宙编年史影片。毫无疑问，鲁宾天文台将开启下一代天文学革命，天文学将从图像时代进入电影时代。


鲁宾天文台将开启下一代天文学革命，天文学将从图像时代进入电影时代。图/鲁宾天文台 值得一提的是，伴随着天文学进入电影时代，背后将涉及前所未有的海量数据。据天文学家测算，鲁宾天文台每晚将产生超过20TB（20万亿字节）的数据，10 年内将产生约60PB（1PB=1024TB）的数据，这是哈勃望远镜自1990年发射以来，34年内拍摄到的所有图像数据的100倍，是维基百科数据的100万倍，这些数据必须经过实时处理，才能转化为研究对象，但这靠人力是不可能完成的。因此，天文学家的一个共识是：鲁宾天文台将促使天文学彻底进入大数据时代——这是一个早已开始的趋势，AI算法在未来研究中会扮演越来越重要的角色。 实际上，早在LSST计划确立之初，就已组建了专门的信息学与数据处理团队，主要负责设计专门的算法来优化数据处理过程，减少误报，减轻繁重的计算负担，并帮助天文学家识别值得研究的最佳事件对象。正式运行后，鲁宾天文台相机拍摄到的每张图像从智利传回加州只需要60秒，在赤道另一头的实验室里，AI算法将首先对图像进行分析，判断对象天体是否有任何值得记录的移动或变化，然后再向研究人员发出警报。 “我们预计望远镜每晚会发出约1000万条事件警报。”鲁宾天文台的天文学推广专家克莱尔·希格斯说，“这些警报包括天空中发生的任何变化，涵盖一系列研究对象，如太阳系天体、小行星和超新星等，这就是机器学习如此重要的原因。” 正如“AI教母”李飞飞创建的计算机视觉识别领域的公开大型数据集ImageNet之于大模型的作用一样，在天文学的大数据时代，数据的公开对研究上的突破同样具有重大意义。希格斯指出，鲁宾天文台产生的数据将每年发布给一组选定的天文学家，再过两年，所有数据会全部开放给公众，供全球科学界研究。 “称量”宇宙 很多人的电脑桌面都曾用哈勃望远镜拍摄的宇宙图片作为背景，瑰丽的玫瑰色宇宙中，除了引人瞩目的闪烁点状繁星外，有时还会遇到一些弯曲的弧线，这就是鲁宾天文台最想捕捉到的图像之一，这些弧线很可能揭开暗物质的神秘面纱。 在鲁宾天文台的四个主要科学目标中，探索暗物质、理解暗能量排在首位，其他目标还包括测量太阳系、绘制银河系地图以及探索瞬态天文事件，这些任务都很重要，可以让人类更了解“现有的宇宙”。但在所有目标中，对于暗物质的探索是最深刻的，因为这种“看不见”的神秘物质构成了宇宙中85%的物质，人类却对其所知甚少。暗物质是“宇宙中的大象”，如果真的捕捉到它，则可能颠覆“现有的宇宙”，创造“全新的宇宙”。 实际上，鲁宾天文台的命名正是源自美国女性天文学家薇拉·鲁宾，这也是美国历史上第一个以女性命名的天文台。20世纪70年代，鲁宾通过研究星系的运转速度，发现了暗物质存在的第一份确切证据，给当年的天文学界带来了一次“地震”。近半个世纪后，今天的天文学家接棒了鲁宾的任务。 寻找暗物质的众多物理学手段中，引力透镜是一个很有效的工具。暗物质既不发光，也不参与电磁相互作用，和其他天体相互关联的唯一方式是通过引力。爱因斯坦早在1912年就提出引力能使光线弯曲，光就像穿过一个透镜，或者说穿过一个“变焦镜头”。 天文学家很快发现，引力透镜是探测暗物质性质的绝佳方式。一个引力透镜事件中，来自遥远星系的光，会被大质量星系团的引力所吸引而导致扭曲，通过测量光线扭曲的程度，可以间接估算出星系团的质量分布，这其中大部分是暗物质质量。简言之，我们可以利用引力透镜绘制出宇宙中暗物质的三维地图。 哈勃望远镜2008年发布的图像“阿贝尔2218”就是一张典型的引力透镜照片。阿贝尔2218是位于天龙座、距离地球大约21亿光年的一个星系团，它是一个强大的透镜，可以放大隐藏在它背后的所有遥远星系，这些星系的影像被扭曲为长短不一的各种弧线，有的呈蓝色，有的呈橙色，遍布整个画面。


哈勃望远镜2008年发布的引力透镜照片“阿贝尔2218”，这是一个由数千个独立星系组成的丰富星系团，位于北天龙座，距离地球约 20多亿光年。图/美国航空航天局（NASA）、欧洲航天局和哈勃望远镜官网 引力透镜分为两种：强引力透镜与弱引力透镜，二者区别是引力引发的扭曲程度，强引力透镜的扭曲效果更明显，是理想的观测对象，但极其罕见，需要星系团质量巨大。通过望远镜观测到的更多是弱引力透镜，即只有微小的扭曲，但对这类事件的分析难度要大得多，需要首先排除其他干扰，时空并非不是“平坦”的，布满星际空间的各种气体也会让很多星系看起来扁平或细长。 因此，仅测量一个星系是远远不够的，在识别上存在很大的不确定性，能有效排除干扰的唯一办法就是大量的测量。据估算，鲁宾天文台可以探测到大约200 亿个星系，其中 40 亿个星系将以非常高的精度成像。“这是人类首次观测到这么多星系。天文学家估计，宇宙中可观测到的星系理论上最多为 1000亿个，200 亿这个数字是非常可观的，可以让统计结果更有力，尽可能接近对暗物质质量和性质的精确推理。”坎恩解释。 他指出，弱引力透镜的测量一直非常困难，该领域的很多早期工作都受限于望远镜参数。他说，实际上，鲁宾天文台望远镜是有史以来第一台设计中充分考虑到弱引力透镜测量的望远镜，“我们非常小心地进行了模拟”，从相机到望远镜，再到大气层，以了解可能影响弱引力透镜测量效果的任何具体原因，不断地优化设计和校准。 鲁宾天文台LSST强透镜科学合作主席菲尔·马歇尔预估，十年调查期内，鲁宾天文台可能会发现近1万个各种尺寸和结构的透镜类星体，比目前天文学史上最大的引力透镜调查还多出两个数量级。不过，鲁宾天文台的优势不仅在于获得足够大的样本，其“拍摄宇宙电影”的特殊能力，还可以捕捉到星系团随时间的变化，进一步说，即暗物质是如何随宇宙时间而演变的，这将有助于深入研究暗物质的性质。 为何这些暗物质会聚集成团块并嵌入星系团，它们是逐渐集中在星系内，还是填充了星系之间的广阔空间？当星系之间相互碰撞时，暗物质是否也会发生碰撞，还是它们彼此不会注意到彼此，只是擦肩而过？“鲁宾天文台将以过去人类无法做到的方式打开宇宙时间。”马歇尔强调。 暗物质之外，暗能量是“宇宙房间中的另一只大象”，天文学家们早证实，我们所处的宇宙正加速膨胀，这种撕裂宇宙的神秘力量就是暗能量。如果说暗物质是星系形成与汇聚的核心力量，暗能量则正好相反，这一对“大象”之间的拔河游戏共同塑造了当前的宇宙，因此，鲁宾天文台通过引力透镜呈现的“宇宙时间切片”同样有助于在宇宙的大尺度结构上进行暗能量研究。 这就是“称量”宇宙。 我们究竟生活在什么样的宇宙中？大爆炸后的几分之一秒里，宇宙非常热且致密，质子和中子分解成夸克，物质、能量与时间在这个过程中不断伸展，随后，宇宙迅速膨胀和冷却，原子、原子核、分子以及气体逐步形成，气体凝聚成星云，星云进一步形成各种各样的恒星和星系，经过大约140亿光年，最终演变成人类今天所看到的宇宙。而对暗物质和暗能量的研究可以跨越140亿光年，让人类回到宇宙最初诞生的时刻。 这一点之所以如此重要，是因为人类虽然是时间性的动物，却一直在尝试超越时间。这也是天文学家们的终极科学目标。 坎恩指出，天文学的一大优点是有明确的理论预测，然后试图通过“称量”宇宙来验证预测，这种方法类似于实验物理学。但更令人兴奋的一点是，每当人类建造更大、更好的望远镜时，总会发现各种从未想象到的新的事物。 作者：霍思伊 编辑：杜玮