國家天文臺興隆觀(guān)測基地的大天區面積多目標光譜天文望遠鏡(英文簡(jiǎn)稱(chēng)LAMOST)。
直徑1.75米的成像焦面之上，密密麻麻地分布著(zhù)4000根光纖探頭。本報記者 杜躍進(jìn) 攝

    編者按：溫家寶總理曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，一個(gè)民族有一些關(guān)注天空的人，他們才有希望；一個(gè)民族只是關(guān)心腳下的事情，那是沒(méi)有未來(lái)的。
    寥廓無(wú)垠的星空，看上去是離我們最遙遠的所在。但對星空的探索，卻使人類(lèi)不斷地豐富著(zhù)自己，就這個(gè)意義而言，星空又離我們很近。天文學(xué)從來(lái)就不是一門(mén)孤立的科學(xué)，不僅是近代科學(xué)革命的搖籃，也是推動(dòng)人類(lèi)進(jìn)步的源泉之一。今天，天文學(xué)作為一門(mén)基礎學(xué)科，對其他自然科學(xué)的發(fā)展起著(zhù)極大的推動(dòng)作用，研究成果直接服務(wù)于國防、通訊、導航、測地、預報自然災害等領(lǐng)域。
    中國的天文學(xué)家們經(jīng)過(guò)努力拼搏，研制出了世界上口徑最大的大視場(chǎng)光學(xué)望遠鏡，LAMOST以其中國原創(chuàng )的新概念和新方法，極具創(chuàng )新的技術(shù)和工藝，代表了我國大型光學(xué)精密儀器的最高水平，成為我國科技領(lǐng)域自主創(chuàng )新的典范。她使人類(lèi)觀(guān)測天體光譜的數目提高至千萬(wàn)量級，使我國在該領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先地位。
    中國的天文學(xué)家們將借助LAMOST巡天遙看億萬(wàn)星河，去發(fā)現宇宙中更多的奧秘。讓我們一起共同期待。

    LAMOST：燕山深處的“中國大眼睛”

    宇宙是怎樣形成的？宇宙中數以百億計的星系是如何構成的？我們徜徉其中的銀河系又是如何形成和演化的？仰觀(guān)深邃浩瀚的星空，這些基本而又深奧的問(wèn)題始終縈繞在古今中外無(wú)數哲人、詩(shī)人和科學(xué)家的心頭。
    古希臘哲學(xué)家泰勒斯，長(cháng)時(shí)間沉浸在對天空星辰的觀(guān)察中，結果不小心掉進(jìn)了水坑里，有人笑話(huà)他只專(zhuān)注天空而忘了腳下的路。后來(lái)，他利用觀(guān)察天空的知識推測出橄欖樹(shù)必獲豐收，結果賺了一大筆錢(qián)。諸葛亮夜觀(guān)天象借東風(fēng)大戰赤壁，已成為代代相傳的千古佳話(huà)。18世紀偉大的哲學(xué)家康德曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“世界上有兩件東西最能夠深深地震撼人們的心靈，一件是我們心中崇高的道德律，另一件是我們頭頂上燦爛的星空�！�
    科學(xué)家們從未停止過(guò)對這迷人星空的探索。2008年，發(fā)生在河北興隆燕山深處的一件事情震驚了國際天文界：一雙在地面上可以觀(guān)測無(wú)垠星空的眼睛———由中科院國家天文臺承擔的國家重大基礎科學(xué)工程項目———大天區面積多目標光譜天文望遠鏡(英文簡(jiǎn)稱(chēng)LAMOST)，在國家天文臺興隆觀(guān)測基地誕生。
    2009年6月4日，耗資2.3億元的LAMOST項目順利通過(guò)了國家發(fā)展改革委組織的竣工驗收。
    天文學(xué)家的描述是：LAMOST是目前世界上口徑最大的大視場(chǎng)光學(xué)望遠鏡，也是世界上光譜獲取率最高、最有威力的光譜巡天望遠鏡。LAMOST以其大視場(chǎng)、大口徑以及多目標光譜的探測能力，在跟隨地球自轉和隨太陽(yáng)公轉的過(guò)程中，可以對整個(gè)北天球及部分南天球進(jìn)行掃描探測。
    這是一項由中國天文學(xué)家自主設計、國際領(lǐng)先的技術(shù)創(chuàng )新。

    獲取更多星辰的“身份密碼”

    盡管科學(xué)技術(shù)在不斷發(fā)展進(jìn)步，但科學(xué)家們還是不得不承認，迄今為止，科學(xué)只描述了宇宙的極小部分。在浩瀚的宇宙中，人類(lèi)已經(jīng)認識的普通物質(zhì)只占4%，而人類(lèi)所不了解的暗物質(zhì)和暗能量各占22%和74%。
    美國科學(xué)技術(shù)委員會(huì )提出的新世紀要解決的十一個(gè)科學(xué)難題中，暗物質(zhì)和暗能量分別排名第一和第二�？茖W(xué)家們認為，揭開(kāi)暗物質(zhì)和暗能量之謎，將是繼哥白尼的地心說(shuō)、牛頓的萬(wàn)有引力定律和愛(ài)因斯坦的相對論之后，人類(lèi)認識宇宙的另一次飛躍，并有可能引發(fā)現代物理學(xué)新的革命。
    探測暗物質(zhì)和暗能量，“光譜巡天”是重要的手段之一。這是因為，天體光譜中蘊涵著(zhù)豐富的物理信息，就像生物體的基因密碼DNA一樣。人們如果能接收到這些信息并對它們進(jìn)行分析，就可以解讀遙遠天體的基本情況，知道這些天體的距離、構成、分布以及運動(dòng)速度等等。
    可是，受觀(guān)測手段的制約，在數以百億計的天體中，人們只對其中的約萬(wàn)分之一進(jìn)行過(guò)光譜測量。要加強對未知宇宙的探測和研究，大量天體光學(xué)光譜的獲取便成為關(guān)鍵。而要在足夠廣闊的太空中獲得足夠數量的星星的光譜，首先需要具有能夠觀(guān)測多個(gè)天體光譜的技術(shù)，同時(shí)還必須具備兩個(gè)條件：一是觀(guān)測望遠鏡的視場(chǎng)必須足夠大；二是觀(guān)測望遠鏡的口徑也要足夠大。如果用照相機作比喻，大視場(chǎng)就相當于廣角，口徑相當于焦距。
    就口徑和視場(chǎng)而言，目前世界上的天文望遠鏡可大致分為兩種：一種是大口徑望遠鏡，主要用于天體的細節觀(guān)測，其視場(chǎng)很難做大；另一種是大視場(chǎng)望遠鏡，可同時(shí)巡天觀(guān)測很多天體，但口徑卻很難做大，因而很難觀(guān)測到暗弱的天體“大視場(chǎng)兼備大口徑”，是長(cháng)期以來(lái)天文望遠鏡技術(shù)的一個(gè)難題，也是眾多天文學(xué)家迫切希望解決的問(wèn)題。
    魚(yú)與熊掌能否兼得？LAMOST試圖解決這一世界級難題。

    獨具特色的“中國大眼睛”

    上世紀90年代，世界天文學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展。為了在競爭激烈的國際天文學(xué)前沿占有一席之地，我國天文學(xué)家王綬琯院士、蘇定強院士等針對天文研究中“大規模天文光譜觀(guān)測嚴重缺乏”這一情況，提出了“大視場(chǎng)與大口徑兼備”的天文望遠鏡新概念及LAMOST的初步方案。方案創(chuàng )造性地將40多米長(cháng)的鏡筒固定，并用主動(dòng)光學(xué)技術(shù)(即鏡面可控，實(shí)時(shí)變化)來(lái)實(shí)時(shí)產(chǎn)生非球面面形不斷變化的高精度鏡面，從而使得大口徑的大視場(chǎng)望遠鏡成為可能。這一巧妙的創(chuàng )新設計，突破了國際上光學(xué)望遠鏡大口徑和大視場(chǎng)難以兼備的瓶頸。后經(jīng)中科院國家天文臺南京天文光學(xué)技術(shù)研究所所長(cháng)崔向群研究員、中國科技大學(xué)褚耀泉教授等人進(jìn)一步的研究細化和論證，形成了LAMOST的具體方案。
    將LAMOST這一優(yōu)秀的設計方案變?yōu)楝F實(shí)，意味著(zhù)大量世界級技術(shù)難題的攻克：首次在一塊大鏡面上同時(shí)應用薄變形鏡面主動(dòng)光學(xué)技術(shù)和拼接鏡面主動(dòng)光學(xué)技術(shù)，并控制鏡面面形精度達頭發(fā)絲的數千分之一；首次實(shí)現六角形的主動(dòng)可變形鏡;首次在一個(gè)光學(xué)系統中同時(shí)采用兩塊大口徑的拼接鏡面；首次應用并行可控的4000根光纖的定位技術(shù)，而目前國際上同類(lèi)設備僅有640根光纖……
    鑒于項目涉及多項高難度的技術(shù)挑戰，曾有專(zhuān)家擔心LAMOST的創(chuàng )新方案能否付諸現實(shí)。1994年2月，正在歐洲南方天文臺參加VLT望遠鏡研制的主動(dòng)光學(xué)專(zhuān)家崔向群，為了LAMOST的建設，毅然攜全家回國，全身心地投入到了LAMOST的工作中。LAMOST立項后，這位優(yōu)秀的女科學(xué)家擔任總工程師，領(lǐng)導了整個(gè)LAMOST望遠鏡的研制。
    1998年4月，南京天文光學(xué)技術(shù)研究所開(kāi)始了LAMOST核心關(guān)鍵技術(shù)———1米口徑六角形薄鏡面主動(dòng)光學(xué)技術(shù)的攻關(guān)。這項技術(shù)的成功與否直接決定了LAMOST的成敗。經(jīng)過(guò)2400多個(gè)日日夜夜的奮力拼搏，在克服了波前傳感器、主動(dòng)支撐、精密跟蹤、大氣視寧度改善等一系列技術(shù)難關(guān)后，于2004年11月取得突破性的進(jìn)展，獲得成功。
    此后，拼接鏡面主動(dòng)光學(xué)技術(shù)、光纖定位技術(shù)、六邊形的施密特改正鏡MA子鏡的研制、8米直徑的高精度精密轉臺等一項項關(guān)鍵技術(shù)陸續獲得突破，最后于2008年8月完成全部安裝、調試，LAMOST這一宏大的具有世界前沿水平的大科學(xué)工程勝利完工。

    到LAMOST身邊看個(gè)究竟

    6月4日，是LAMOST項目接受?chē)�家發(fā)改委組織的專(zhuān)家驗收的日子。早上七時(shí)許，記者一行驅車(chē)從北京出發(fā)，沿京承高速往東北方向行駛，兩個(gè)多小時(shí)后到達國家天文臺興隆觀(guān)測基地。
    在興隆縣城東北約五公里的山腳下，就可看到矗立在山頂上的銀白色龐然大物———一個(gè)頂部為半球形的大圓柱體連接著(zhù)一個(gè)斜臥在兩個(gè)圓柱上的巨型長(cháng)筒。整體建筑南北方向坐落，猶如一匹昂首飛天的白色駿馬。這就是蜚聲中外的LAMOST大型天文望遠鏡了。
    汽車(chē)在山路上蜿蜒，興隆觀(guān)測基地被連綿起伏的燕山山脈包圍著(zhù)。山頂上樹(shù)木蔥郁，空氣純凈，涼爽宜人。綠樹(shù)簇擁著(zhù)的LAMOST距我們越來(lái)越近，顯得越來(lái)越大。
    乘電梯上至五層，來(lái)到了LAMOST的半球形圓頂內，被稱(chēng)為反射施密特改正鏡(也叫MA)的巨大圓形鏡面出現在眼前。MA由24塊六邊形的鏡片拼接而成，口徑是5.72米×4.40米。LAMOST項目總經(jīng)理、國家天文臺興隆觀(guān)測基地主任趙永恒對記者說(shuō)，MA的作用是：接收來(lái)自宇宙深處的天體光譜光線(xiàn)，然后經(jīng)過(guò)自身的形變和反射，即篩選處理(所謂“改正鏡”便是此意)，將調整后的光線(xiàn)反射到球面主鏡(也叫MB)上。
    球面主鏡設置在斜臥長(cháng)筒內的高端，由37塊正六邊形鏡片拼接而成。球面主徑將來(lái)自改正鏡的光線(xiàn)進(jìn)行成像聚焦，并投射在成像焦面上。
    在直徑1.75米的成像焦面之上，密密麻麻地分布著(zhù)4000根光纖探頭。這些探頭由8000個(gè)小型電機驅動(dòng)，可以在觀(guān)測不同的天區時(shí)按照星表的位置快速將4000根光纖精確定位，即對準4000個(gè)天體。觀(guān)測時(shí)通過(guò)改正鏡MA的8米的跟蹤機架和焦面板的旋轉，精確跟蹤目標隨時(shí)調整方向，保證光纖探頭能始終對準星星。也就是說(shuō)，望遠鏡看到的每個(gè)天體都由一個(gè)光纖探頭來(lái)對應成像，記錄其“DNA”信息。
    光纖探頭所連接的終端是使天體像變成光譜的16臺光譜儀和記錄天體光譜的32臺CCD照相機。觀(guān)測控制和數據處理系統根據科學(xué)需求調整觀(guān)測計劃和對光譜進(jìn)行分析，得到用于科學(xué)研究的光譜分析數據圖表，并記錄普查的天體光譜“戶(hù)口”供天文學(xué)研究使用。
    當夜幕降臨時(shí)，LAMOST將打開(kāi)圓形穹頂，來(lái)自遙遠宇宙中的星光由此進(jìn)入到MA鏡面上。天文家們對浩瀚宇宙中一個(gè)個(gè)神秘天體的解讀便悄然開(kāi)始。由于LAMOST實(shí)現了“大視場(chǎng)與大口徑兼備”，在曝光1.5個(gè)小時(shí)內，可以觀(guān)測到20.5等的暗弱天體，同時(shí)最多獲得4000個(gè)天體的光譜。
    正是這一明亮的“中國大眼睛”，將中國獲取天體信息的能力由“百萬(wàn)級”提升到了“千萬(wàn)級”。

    巡天遙望河外星系

    6月4日下午，LAMOST項目順利通過(guò)了國家發(fā)改委、科技部、國家檔案局、國家自然科學(xué)基金委員會(huì )等單位專(zhuān)家的竣工驗收。驗收專(zhuān)家認為，LAMOST全體人員全面優(yōu)質(zhì)完成了工程建設任務(wù)，其中望遠鏡光學(xué)像質(zhì)、跟蹤指向精度顯著(zhù)優(yōu)于設計指標，LAMOST已具備甚至超過(guò)了預期能力，成為目前國際上口徑最大的大視場(chǎng)望遠鏡和光譜獲取率最高的望遠鏡。
    此時(shí)，作為L(cháng)AMOST工程建設領(lǐng)導小組組長(cháng)的中科院常務(wù)副院長(cháng)白春禮院士顯然心情激動(dòng)。他說(shuō)：“今年是國際天文年，紀念伽利略首次使用望遠鏡進(jìn)行天文觀(guān)測400周年。400年來(lái)，天文望遠鏡經(jīng)歷了無(wú)數進(jìn)步和創(chuàng )新，而LAMOST通過(guò)創(chuàng )造性地應用主動(dòng)光學(xué)技術(shù)實(shí)現了用傳統方法無(wú)法實(shí)現的光學(xué)系統，開(kāi)創(chuàng )了望遠鏡的一個(gè)新類(lèi)型，使中國第一次在望遠鏡類(lèi)型上占有一席之地！”
    由于LAMOST，興隆，這個(gè)名不見(jiàn)經(jīng)傳的燕山山脈里的小地方，一時(shí)間成為天文學(xué)家心目中的圣地。
    80多歲的國際著(zhù)名天文光學(xué)家A.B.Meinel教授，是美國基特峰國家天文臺第一任臺長(cháng)，亞利桑那大學(xué)光學(xué)科學(xué)中心創(chuàng )始人，曾任美國光學(xué)學(xué)會(huì )主席。他在得知LAMOST建成的消息后，在給項目總工程師崔向群的信中說(shuō)：“如果我還年輕，現在我愿意和你們一起在興隆經(jīng)歷這個(gè)新概念望遠鏡的非常時(shí)期�！彼�在信中還說(shuō)：“在高度競爭的國際科學(xué)界中，LAMOST以其強大的能力，可讓天文學(xué)家做出更好的工作來(lái)�！�
    主動(dòng)光學(xué)專(zhuān)家LotharNoethe博士，是歐洲南方天文臺42米極大口徑光學(xué)/紅外望遠鏡E-ELT光學(xué)部主任。他曾任4x8.2米望遠鏡VLT項目主動(dòng)光學(xué)負責人。作為國際評估專(zhuān)家，他參加了2008年10月16日在興隆舉行的LAMOST落成典禮。當別的專(zhuān)家都離開(kāi)的時(shí)候，他要求留下來(lái)體驗一下夜空群星璀璨時(shí)的LAMOST。當晚，L.Noethe在興隆觀(guān)測站與LAMOST項目人員一起跟星測試LAMOST主動(dòng)光學(xué)系統控制望遠鏡光學(xué)成像質(zhì)量的水平，測試完畢之后，他興奮地給崔向群打電話(huà)說(shuō)，LAMOST的光學(xué)像質(zhì)當晚達到0.2角秒，光學(xué)成像像質(zhì)與歐洲4×8.2米甚大望遠鏡VLT相當。此后，他在給崔向群的E-MAIL中寫(xiě)道：“我個(gè)人認為，望遠鏡不僅是一個(gè)科學(xué)儀器，還是一個(gè)光學(xué)設計創(chuàng )新的實(shí)驗臺。如果將來(lái)有建造一個(gè)更大的LAMOST的計劃，如建在南極，你們將可以顯示出LAMOST的光學(xué)像質(zhì)能夠達到0.1角秒�！�
    國際著(zhù)名的天文學(xué)家、芝加哥大學(xué)的Don.York教授在接受美國《科學(xué)》雜志采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)：“由于LAMOST令人畏懼的技術(shù)挑戰，并不是每個(gè)中國的科學(xué)家都是傾心于LAMOST，但我是LAMOST的‘粉絲’”。
    《LAMOST項目國際評估委員會(huì )報告》這樣評價(jià)道：“LAMOST獨一無(wú)二地結合了為數眾多的光纖、大視場(chǎng)以及大口徑望遠鏡幾個(gè)方面的優(yōu)勢，從而一定能夠在下個(gè)十年中的光譜巡天方面處于領(lǐng)先的地位。這一設備將使中國天文學(xué)家在銀河系和河外星系天文學(xué)等領(lǐng)域獲得無(wú)與倫比的科學(xué)研究機會(huì )�！�
    主動(dòng)光學(xué)發(fā)明人、歐洲南方天文臺國際著(zhù)名天文望遠鏡光學(xué)專(zhuān)家RayWilson說(shuō)：“LAMOST不僅是惟一能使施密特望遠鏡的口徑增大的途徑，而且是主動(dòng)光學(xué)的最先進(jìn)和非凡的應用�！薄癓AMOST的成功，不但是中國科技的勝利，也將是整個(gè)國際天文界的勝利�！�
    專(zhuān)家指出，LAMOST的科學(xué)目標將集中在河外星系巡天、銀河系結構和演化以及多波段目標證認三個(gè)方面。LAMOST將對北天可觀(guān)測的約14000平方度高銀緯天區進(jìn)行光譜巡天觀(guān)測，其中包括北、南銀冠區各250萬(wàn)個(gè)恒星、250萬(wàn)個(gè)星系的巡天，150萬(wàn)個(gè)亮紅星系巡天和約100萬(wàn)個(gè)類(lèi)星體的觀(guān)測，這些資料將在宇宙模型、暗物質(zhì)、暗能量、大尺度結構、星系形成和演化等研究上做出重大貢獻。
    LAMOST巡天獲得的資料將對國內外天文學(xué)界公開(kāi)。