星空探秘（探秘星空的眼睛）

来源：北京日报

赵永恒

LAMOST望远镜镜片是由多块六边形镜片拼接而成，如蜂窝状。

本报记者 和冠欣摄

本报记者 张航

1280年春天，元世祖忽必烈取“敬授民时”的古语，命名了一部新历法——《授时历》。

《授时历》之精准，令人惊讶。该历以365.2425天为一岁，与地球绕太阳公转的实际时间只相差25.92秒。这部历法比现在通用的“阳历”早了三百多年。

《授时历》的形成，得益于一场被称为“四海测验”的大型天文观测。自1279年开始，元朝14员监侯官分道而出，在全国各地27个观测站进行观测。

这其中，有位观测者，叫郭守敬，“四海测验”就来自他的建议，他也是《授时历》的主要编者之一。

一路颠簸，逐星追月的郭守敬不会想到，有朝一日，自己的名字也能遨游星河——为了纪念他对天文学的贡献，人们将月球上的一座环形山命名为“郭守敬环形山”，将一颗小行星命名为“郭守敬小行星”。

不断发明、改制天文观测仪器，期望能看得更远的郭守敬，更不会想到，700多年后，就在元大都东北百余公里外的燕山主峰南麓，有一座世界上口径最大的大视场望远镜，冠名为“郭守敬望远镜”。

“他”真的望到了更远的星空。

LAMOST工程分为八个子系统：光学系统；主动光学和支撑系统；机架和跟踪装置；望远镜控制系统；焦面仪器；圆顶；观测控制与数据处理系统；输入星表与巡天战略系统。

LAMOST望远镜的“镜筒”南高北低，最高处离地40米。其镜片不是一整块玻璃，而是由多块六边形镜片拼接而成，如蜂窝状。南端的球面主镜大小为6.6米×6米，由37块1.1米对角径的六边形镜片拼接而成。北端的反射施密特改正镜大小为5.7米×4.4米，由24块六边形子镜拼接而成。球面主镜是固定的，反射施密特改正镜则可以根据观测需要调整角度，观测天区赤纬从负10度到正90度，涵盖了赤道和北极的星空。

LAMOST望远镜有32台科学级CCD相机，每台相机配备一个1600万像素的光学探测器； 4000根光纤对应16台光谱仪，可以分解星光，帮助科学家发现各种化学元素，以揭开星星的奥秘。

自制望远镜的少年

坝上，华北平原与内蒙古高原的过渡地带，因地形如阶梯水坝般升高得名。这里平均海拔在1400米以上，森林茂密，土壤肥沃，湖泊遍布，是天然的避暑胜地。

1307年，元武宗将中都建在这里，作为往返于大都（北京）、上都的巡都。此时，郭守敬已年逾古稀，还在朝廷中忙碌着。

600余年后，元中都只剩残垣。新中国在张北地区建设的察北牧场，正欣欣向荣。

牧场里有座图书馆，一个小男孩总喜欢跑去那里看书，天文画报，是他的最爱。从画报上，他认识了星座，也知道了郭守敬和《授时历》。

入夜，繁星璀璨。

小男孩，抬着头，痴痴地望着星空，分辨着一个个星斗。探索宇宙秘密的梦想，在小男孩的心中生根，发芽。

小男孩叫赵永恒，他的爸爸是牧场里的农机驾驶员。家里没人能指点他探索星空，赵永恒就白天翻画报，晚上看星星，他慢慢认识了牛郎星、织女星、北斗七星……

上初一那年，赵永恒试着用厚牛皮纸将一片老花镜片和一片近视镜片卷起来，利用凹凸透镜组装出一架简易天文望远镜。透过镜头，他第一次看到了月球上的环形山，激动地跳了起来。他很想找到“郭守敬环形山”，可惜未能如愿。

赵永恒想看得更远，“我要学天文”。考大学时，赵永恒原本想考南京大学天文专业，因为那里有紫金山天文台。

可是，当时南京大学天文专业并不在河北招生。赵永恒只好转变方向，准备先从天文的基础——物理学起。1980年，赵永恒被武汉一所军校的物理专业录取。大学期间，他从各种渠道寻找南京大学的天文学习资料，有书借书，没书就找油印材料，再不行就手抄。大三结束的暑假，他坐了一天一夜的船，沿长江而下，抵达南京。上了岸，他迫不及待地赶到中科院南京紫金山天文台，想要参观。但可惜没有提前预约，未能如愿。

一年后，赵永恒的愿望实现了，他如愿成为南京大学天文专业硕士研究生。第一次跨进紫金山天文台大门的时候，他很是感慨：“努力了，实现梦想就是这小小的一步。”

1990年，在南京大学取得博士学位后，26岁的赵永恒跨过长江，沿着老津浦铁路北上。进入我国天文观测的最高学术机构——中国科学院北京天文台（现中科院国家天文台）工作。

自制天文望远镜的少年，终于开始了“星辰大海”的征途。

建造大望远镜的“施工队长”

自制天文望远镜的时候，赵永恒不会想到，有一天，他能参与建造一座口径4米，高达8层楼的“大家伙”。

1995年秋,一天傍晚，德国慕尼黑，马普地外物理所。

一阵急促的电话铃声响起。访问学者赵永恒拿起听筒，“永恒，回来吧！我们国家要建超大型光学天文望远镜了！希望你加入！”打来电话的是北京天文台台长李启斌。两人聊了很久，临挂断电话前，李启斌又强调了一句要建的望远镜，“绝对是个大家伙！”

挂断电话，赵永恒兴奋地走来走去。

当时，世界主要发达国家已掀起了建设超大口径天文望远镜的热潮，美国在太平洋夏威夷岛上建起了凯克（KECK）望远镜，口径达10米。

中国当时最大口径的望远镜只有2.16米级。赵永恒切身体会过“2.16米级”和“10米级”的差距。他曾经用2.16米级光学望远镜发现了一个新的类星体，“只看到了一颗，因为那架望远镜一次只能拍摄一个天体。”

为了尽快缩小差距，中科院院士王绶琯、苏定强向国家提出了建设大型巡天光学望远镜的建议。经过反复论证，该项目被列入国家重大科学工程。

留在德国，继续科研，有丰厚的经费，可预期的成果；回国参与建设望远镜，则是未知的局面，未知的结果……

怎么选？

赵永恒没有犹豫，很快回复李启斌：“我尽快回国！”

为什么这么选？

“我渴望着能观测更大的宇宙。”赵永恒说。

1996年初,32岁的赵永恒回国，成为项目指挥部中最年轻的成员，他和同事们为建设“大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜（LAMOST）”而努力。

项目准备了整整5年，细致入微，力求完美。2001年9月，LAMOST项目开工。赵永恒的身份也发生了改变——2003年，他从科学家变成了项目总经理，建设、人事、财务……项目运行的方方面面都需要他操心，“干的就是施工队长的活儿。”赵永恒笑着说。

赵永恒操心最多的是经费。

项目获批时，国家拨付2.35亿元建设资金。“看着挺多，但建设大科学装置，钱不经花。”赵永恒说。

怎么办？只有把技术用到极致！经费难以支撑研发10米级口径望远镜，赵永恒和同事们就从技术方案上想办法——LAMOST望远镜口径约4米，但实现了5度的大视场。

赵永恒拿起一台单反相机，他指着镜头说：“焦距越长视野越窄。那些8至10米口径的天文望远镜，视场往往只有10多角分。”1度等于60角分，一般情况下，视场30角分的望远镜，观测视野刚刚可以容纳一个距离地球38万公里的月亮。LAMOST有5度的视场，这意味着它的视野可以装下足足100个月亮。那些以光年衡量的更遥远的群星，在望远镜中占据的面积比月亮小得多，5度观测视场几乎就是“超广角”，“可以博览群星，既看得多，又能看得清，从而实现巡天的目标。”赵永恒说。

望远镜的镜片也是一项大开支。为了节省经费，赵永恒和同事们货比三家——在全球范围内筛选出上海、俄罗斯、德国的三家生产企业。国内企业很争气，不仅报价低，而且试加工出的镜片质量很高。德国企业得知消息后，立即将报价下调一半……“这充分说明自己掌握核心技术是多么重要。”赵永恒说。

LAMOST建在山区。建设期间，赵永恒常驻工地，哪个环节出问题，他就第一时间奔赴现场解决……

七年奋战，终有收获。

2008年，LAMOST落成；2009年，顺利通过国家验收；2011年，启动巡天观测。

此时，赵永恒虽还不到50岁，但已头发花白。他望着傲立山间的白色望远镜，眼圈红了，他确信，这是一生中最荣耀的成果。

变大的“银盘”和“看不见”的黑洞

中国人建的望远镜，一定得有一个中文名字。

LAMOST项目启动中文名字征集，中科院国家天文台收到大批方案：郭守敬望远镜、张衡望远镜……最终，“郭守敬望远镜”高票当选。

赵永恒想起了小时候看过的郭守敬的故事，“大家都看到了郭守敬在天文观测方面的重要贡献。”

2010年4月17日，LAMOST望远镜正式冠名为“郭守敬望远镜”，赵永恒仿佛看到，中国古代天文研究的辉煌成果和中国飞速发展的现代天文科技，在巨大的白色望远镜上，融通交汇。

2011年，“郭守敬望远镜”启动巡天，一批重磅科研成果不断涌现，比如重“画”银河系。

此前，天文学家们一直认为，银河系的中心附近存在一个棒状结构，外面呈盘状结构，四周被较稀疏的恒星包裹，如同一个银盘。距离银河系中心约5万光年的地方，有一个清晰的边界，此处恒星数目骤然下降，银盘如同被切割一般。

近年来，科学家在“银盘”边界外陆续又发现一些年轻恒星，它们也属于“银盘”，难道“银盘”比已知的更大？

2017年年底，“郭守敬”找到了答案。中科院国家天文台研究员刘超等利用“郭守敬望远镜”的观测数据清点了银河系外围恒星的数目，发现更远处的恒星和“银盘”上恒星光谱特征一致，这意味着整个“银盘”的半径延伸到6.2万光年处，这比教科书上一直以来引用的银河系半径足足大了约四分之一。

2018年，刘超和团队与西班牙加纳利天体物理研究所科学家联手，利用“郭守敬望远镜”以及国外望远镜观测到的海量恒星光谱数据，进一步改写了“银盘”尺寸——其半径可能达到约10万光年，银河系的疆界大大拓展。

“郭守敬”还发现了神秘的黑洞。

根据质量不同，黑洞一般分为恒星级黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞。恒星级黑洞是大质量恒星死亡形成的，具有极其强大的引力。有理论预言，银河系中有上亿颗恒星级黑洞，但长期以来，天文学家仅发现了约20颗黑洞，这些黑洞的质量均小于20倍太阳质量。

2016年秋季，“郭守敬”发现了一个神秘的家伙。

当时国家天文台研究团队正利用“郭守敬望远镜”开展双星课题研究，监测一个小天区内的3000多颗恒星。在一个X射线辐射宁静的双星系统中，有一颗8倍太阳质量的蓝色恒星围绕一个“看不见的天体”进行周期性运动。不同寻常的光谱特征表明，那个“看不见的天体”极有可能是一颗黑洞。研究人员随即利用国内外多架望远镜进行确认，终于证实了黑洞的存在。通过计算，该黑洞质量大约是太阳的70倍。这颠覆了之前科学界对黑洞质量的认识。

国家天文台首席研究员刘继峰说，如果利用一架普通4米口径望远镜来寻找这样一颗黑洞，同样的几率下需要40年的时间，而“郭守敬望远镜”用了不到两年。

一个名为“黑洞猎手”的计划已经启动，赵永恒、刘继峰他们相信，“郭守敬望远镜”将开启批量发现黑洞的新纪元。

与“天眼”一起寻找地外文明

夜幕降临，望远镜穹顶打开，随地球转动的“郭守敬望远镜”扫过北半球的中天。遥远的星光投到反射施密特改正镜上，再反射至主镜，最后于焦面聚焦成像。

“郭守敬望远镜”取得的成就，赵永恒一点儿也不觉得奇怪，“我们把全球光学望远镜的门类从三种拓展到了四种。”

世界上第一台望远镜是伽利略折射望远镜，它采用透镜技术观测天体。之后是牛顿反射望远镜，它不再使用透镜，而使用反射镜；再之后是施密特望远镜，它采用折反射技术。“郭守敬望远镜”则在施密特望远镜的技术基础上再度创新，采用了主动反射系统。

“没有‘郭守敬望远镜’之前，想要观测X射线、黑洞、脉冲星，就要到国外找设备找数据，”赵永恒说，“现在，我们有了自己的大望远镜，产出高质量的观测数据，不仅能将中国天文观测研究推到一个更高的层次，还能借此培养出更多的天文科技人才。”

赵永恒正计划着给“郭守敬望远镜”配备一个更强大的同伴——“把望远镜口径加大到10米，加上我们独创的主动光学技术，望远镜的焦面大幅扩大，可以装下10000根光纤……”赵永恒越说越兴奋，“我们现在已经收获超过1000万条光谱，以后再加上这个新望远镜，获得1亿光谱不是梦，那时，人类对浩瀚宇宙的认知将提升到全新水平。”

“郭守敬”还期待着与“天眼”的合作。

“中国天眼”——500米口径球面射电望远镜（FAST）正寻找着来自宇宙深处高智慧生命的信号。在赵永恒看来，“郭守敬望远镜”和“天眼”完全可以配合行动，“‘天眼’是射电望远镜，用于捕捉宇宙中的电磁信号，一旦发现目标恒星，就可以交给‘郭守敬望远镜’，用光学镜片观其‘真面目’，甚至可以利用光谱解析出这颗星球的主要环境。”

阳光透过云层，洒在“郭守敬望远镜”白色的“外衣”上，反射出耀眼的光芒。

伴随着城市的发展，现代建筑玻璃外墙的光反射，城市照明，已经开始影响夜间观测。“我们可能会考虑给‘郭守敬望远镜’搬个家，比如去观测条件更好的西部地区。”赵永恒说。

不过，不管去哪，赵永恒都愿意陪着“郭守敬望远镜”，在黑暗澄净的宇宙中，寻找神秘的星光，“我还想看得更远。”

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