一位天文探索者「光年」級的浪漫
作者 | 靖宇
從清華大學東南門進入，向東北方向走 10 分鐘，米黃色的蒙民偉科技大樓緊挨著荷清路，和旁邊的教學樓相比，新建的大樓看起來更像科技園區的建築，臨近的大樓依然在施工，不時能見到戴著安全帽的工人。
六層清華天體物理系的走廊裡，經一個學者的指點，我們才在一間藏在深處的辦公室裡見到蔡崢教授。辦公桌靠窗，半拉的窗簾將北京初冬的夕照擋在窗外；靠牆的白板上寫滿了公式和認不出的數字符號，間或有一張手繪的鬼臉和一句開玩笑似的「我不明白」。
蔡崢走出辦公桌，拉過一把椅子和我們真正的「促膝」對談，對於這個不到 10 平米、狹長的辦公室並不感到侷促。「我們目前主要是分析資料，所以目前也不需要那麼大的地方。」蔡崢說，等實驗室建好，那時候會有足夠的地方。
蔡崢說的實驗室是關於他最新的「MUST 光譜巡天望遠鏡」專案，和「天眼」這樣的射電望遠鏡不同，後者觀測的是類似於電視訊號的長波，而光譜望遠鏡觀測的是類似人眼接收的可見光一樣的短波，「最短比天眼的波長短 10 的六次方」。而望遠鏡的解析度與波長成正比，這意味即便幾十釐米的光譜望遠鏡，解析度也會比天眼高很多。
而蔡崢目前的專案，光譜望遠鏡的直徑是 6.5 米，可以和「天眼」的觀測波長互補，對於一個天體不同波長的觀測，能夠讓人們進一步瞭解這個天體。
美國斯隆數字巡天望遠鏡
受惠於科學技術的進步，近十年來幾乎每個獲得諾貝爾獎的天文學發現，從 2011 年的宇宙加速膨脹，2015 年的中微子振盪，2017 年的引力波，到去年超大質量黑洞的發現，都和天文觀測裝置的進步相關。歐美和日本等發達國家在持續迭代觀測裝置，中國現在正在迎頭趕上，MUST 就是其中一個重要專案。
「填補了一個空白。」蔡崢說，目前世界上還沒有這麼大口徑的光譜巡天望遠鏡，中國能做出來就是「世界第一」。
早蔡崢幾百年的天文學家同行們，用肉眼和簡單的光學望遠鏡去探測太陽系內的星體。受技術限制，某些幾十年一見的天文學現象出現，如果不巧是陰天，很可能這輩子就錯過了。隨著技術的發展，新型天文望遠鏡、A 空間望遠鏡甚至 AI 技術的發展，都對天文學研究和理論推進產生了重要影響。
從這個角度來看，蔡崢這一代天文學家要比前輩們幸福太多，因為可以利用現代科技和先進裝置，對宇宙的星系和星球進行更精準的觀測，同時又可以用計算機技術對海量資料進行快速分析。
「近十年來的諾貝爾獎，有六個都給了和天文學相關的團隊。」蔡崢認為，未來十年乃至幾十年，將是天文學發展的黃金時期。
「上下四方謂之宇，古往今來謂之宙」蔡崢認為《淮南子》中古人對宇宙的定義就是「空間+時間」非常準確。有一句話說「照在我們身上的陽光是 8 分鐘的」，說的是太陽發出的光線，要用 8 分 20 秒的時間穿越宇宙空間，進入到地球。某種意義上，天文學家不僅是觀測外太空的物理學家，同時也是研究宇宙的「歷史學家」。
那些高深莫測的天文學詞彙，聽起來和生活毫不沾邊，但現實是在這樣的天文發現過程中，卻會和人類社會在某種程度上產生聯絡。上世紀 90 年代，NASA 為了探測宇宙中的弱訊號，發明了 CCD 感測器，它最後催生了數碼相機，將人類從「膠片時代」帶入到「數字時代」。CCD 進化成 CMOS，進入到現在每個人手機中，將你每一次自拍的光訊號轉為數字訊號。
CCD 感測器來自當年的哈勃望遠鏡專案
70 年代為了探索霍金輻射，發展了一個亞毫米波的接收機，裡面就有關鍵技術應用到了現在最常見的 Wi-Fi 上。」從某種意義上來說，如果沒有天文學的探索，現在人們估計很難愉快地用手機發個朋友圈。
「天文學追求的目標太高了，即便只是『沿途』一些小的技術的轉化，都能給人們生活帶來巨大改變。」蔡崢說道，MUST 光譜巡天望遠鏡也是一樣，這個專案的成功，在探明暗物質之外，同樣有機會給人們留下更多禮物。
作為光譜望遠鏡，MUST 有希望為未來光譜儀的小型化作出貢獻。「你可以想象，未來每個人手機裡都會有一個光譜鏡頭，可以用來識別假幣、檢查農藥殘留，甚至鑑別面板癌。」蔡崢說，光譜資訊能做得要比這多得多，是「未被髮掘的信心金礦」。
之所以要推進 MUST 光譜巡天望遠鏡專案，藏著蔡崢的「私心」——搞清楚暗物質和暗能量的本質及其演化。「宇宙中只有 4% 是可見的，剩下的不可見的是 26% 的暗物質和 69% 暗能量。」之所以稱之為暗物質，就是因為不可見。
MUST 可以從恆星星團尺度做到星系尺度，去探索地球星系周圍的暗物質資訊，利用星系動力學重構暗物質的分佈，最終有機會確認暗物質的本質。而對於暗能量，只有透過對星系光譜進行拍照，探測暗物質和暗能量的三維分佈，與近鄰的三維分佈線進行對比，才有可能把暗能量是否進化的資料提取出來。
要完成這些目標，必須「對宇宙更早期的天區進行更大尺度的觀測」，而 MUST 光譜望遠鏡正是為此而生的。而如果能搞清楚暗物質和暗能量的本質，以及其演化過程，或許能幫助人類解開宇宙起源之謎。
但無論是「天眼」，還是 MUST，天文學研究的是距離地球數億光年以外的事情。暗物質和暗能量的真相，宇宙「大爆炸」的產生之謎，對於世界上的普羅大眾究竟有什麼意義？
「你要說對人們有什麼意義，倒也說不上。」蔡崢思考了一會說，「就像不管是日心說，地心說，普通人還是正常的生活。」蔡崢認為，天文學取得的成就，帶給人類更多的是認知上的衝擊和改變。
「人之所以成為人，就是要把不明白的事情搞清楚，這是基本需求。」蔡崢說道。
有了 MUST 的幫助，我們不僅有望將宇宙學距離測量精度提高 1 倍，將宇宙學測量帶入「超精確」時代，而且可以幫助目前現存其他型別望遠鏡發現的天體資訊進行補充，進一步確認天體的物理本質。同時，MUST 望遠鏡本身海量的光譜資料，也將讓我們對從行星到星系的物理有全新的認知。
「我們有能力做成 MUST 專案。這些來自宇宙深處的迷人發現，將會讓中國人民感受到宇宙的魅力與激動人心。」蔡崢自信地說道。
在由 OPPO 獨家冠名贊助的極客公園創新大會 2022 上，清華大學天文系副教授蔡崢，和抖音科技創作者 西安航空學院講師「苟勝老師」，一起探討了蔡崢的 MUST 寬視場巡天望遠鏡的潛力，以及天文學未來的「星辰大海」。
以下為極客公園創新大會2022現場實錄：
01
現場實錄環節
什麼是天文？三千年前中國的哲學家說得特別好：上下四方為之宇，古往今來為之宙。所以說宇宙就是空間和時間。
什麼是空間？光走一天可以到太陽系的邊界，光走一年可以到一個離我們最近的恆星；如果是幾十光年，上百光年我們就看到很多跟太陽一樣的恆星；幾千光年，上萬光年就能看到銀河的懸臂；幾十萬光年，我們就看到了原來有好多跟銀河系一樣的星系充斥在我們這個宇宙之中。
上億光年，上十億光年遠的時候，就可以看到宇宙的結構，它像纖維網一樣，和蜘蛛網以及人類血管相似——最小的東西和最大的東西有非常高的相關性。
什麼是星系？我們對星系的認知近二三十年有巨大變化。首先，星系只佔宇宙總物質很小的一部分，在星系外有巨大的暗物質暈，它透過星際介質相連，像人類的血管一樣。
把尺度再放大一些，宇宙就像城市，有很多道路，這些道路就是暗物質組成的宇宙網，這些宇宙網交匯的地方就是宇宙的大體結構。
在時間上，宇宙「大爆炸」發生在 137 億年前，但是在距今 70 億年左右，我們發現宇宙在加速膨脹，這讓人非常難以理解。
在地球上，如果人跳起來，因為萬有引力，速度會降低，人會落回地面。但是當宇宙開始膨脹，物質的密度越來越低，低到一定程度的時候，一種非常神秘的「真空能」就主導了宇宙的膨脹。它在大尺度上表現為斥力，就是所謂的暗能量。
宇宙的標準模型是 70% 的暗能量，26% 的暗物質，而人眼可見的只佔 4%，96% 是不可見的，這是現在對宇宙的認知。
天文學現在已經進入到全波段的階段，人們可以探測中微子、引力波，從最短的伽馬射線到最長的射電對於宇宙探索都很重要，其中光學紅外更是重中之重。
光學紅外訊號在宇宙中很普遍，光學就是在可見光波動，紅外波長比可見光長一點，在夜間很亮。美國加州理工和加州大學在夏威夷的兩排望遠鏡近十年獲得了兩個諾貝爾獎。天上的哈勃望遠鏡也拿到了一個諾貝爾獎。
我們國家射電望遠鏡有天眼，在伽馬射線和 X 射線方面有很多努力。不過在光學紅外裝置上，和國際頂尖裝置仍有差距，也是我們奮起直追的目標。
天體物理進入到一個全新的時代，歐美日等發達國家，他們的巡天裝置已經識別了幾十上百億天體，資料量非常大。AI 技術在天體物理中已經得到廣泛應用。我的課題組使用人工智慧探索暗能量的演化和暗物質的引力本質。
雖然取得了很大進展，但天文學也遇到一些重大危機和問題，我們希望在下一個十年可以解決這些問題。其中一個問題是，現在的哈勃常數，也就是宇宙膨脹的速率用不同方法測是不一樣的。暗物質的問題也是一樣，不同方法測有 4 到 5 個標準差，原因無法理解。
這說明我們需要用更高精度來丈量宇宙，例如是否能把 100 億光年的測距精確到 1%，這對理解暗能量演化、暗物質的掌握至關重要。
同時，現在的暗物質，學界一致認為它是冷暗物質，不過目前找不到這些冷暗物質。研究表明，天體物理學應該重新審視暗物質的本質。
清華大學目前的一個專案，MUST 寬視場巡天望遠鏡，它的口徑是 6.5 米，視場為 7 平方度，每次曝光可以捕捉 1 萬個天體的光譜資訊。相比之下，美國普林斯頓大學斯隆數字巡天望遠鏡的口徑是 2.5 米，視場 1 平方度，曝光能捕捉 1000 個天體。MUST 全面領先於美國斯隆望遠鏡。
美國最近公佈了天文學科未來十年的規劃，它要解決的問題和我們要回答的非常相關。
中國「天眼」FAST 射電望遠鏡
我們希望能在 2028 年建成，MUST 可以和美國以及中國的望遠鏡在時域這個新視窗進行配合，共同探索宇宙。十年之後，再談天文的時候，肯定有很多現在想象不到的東西被探索出來。
IAU 國際天文學聯合會主席說，MUST 不僅中國需要，全世界都很需要，因為它能和世界上頂級的巡天望遠鏡實現完美配合，而中國有能力做成 MUST 專案。
美國的莫納克亞山頂，有兩排 10 米的凱克望遠鏡和一臺日本東京大學的 8 米望遠鏡。它們日復一日巡著天空，是我們人類知識邊界到達最高的地方。
就是這些人類的觀天巨眼，把眼前這 45 度未知的世界，變成了人們身後 45 度已知的世界。希望我們透過努力，能夠在 7、8 年時間裡，用我們中國自己的技術去看看宇宙的邊緣。
蔡崢教授（右）與苟勝老師在極客公園創新大會2022上對談
02
對談環節
蔡崢教授與「苟勝老師」對談內容：
苟勝老師：現代天文學家都怎麼研究宇宙？
蔡崢：沿用的是當年開普勒建立的體系，從觀測資料找出規律，透過統計學的方法推導結論。牛頓能從統計資料裡頭得出萬有引力，一直以來天文就是這麼發展的。
近十年 AI 技術介入到天文學研究，利用 AI 能看到一些目前非常難歸納的理論。相比於人類，AI 能更好地識別難以觀察到的東西。所以 AI 在物理學中也起到很大推進作用。
AI 不但能幫人們總結規律，還能發現規律以外的點，這樣的點之前人處理很慢，AI 很快，這就有助於人們去發現根本沒想過的新物理。
苟勝老師：MUST 望遠鏡和「天眼」這樣的射電望遠鏡有什麼區別？
蔡崢：射電望遠鏡本質是一個大天線，它可以接收米級的波。MUST 接收的是可見光和紅外，它們的波長是三百奈米到 1 微米，波長要比「天眼」短一百萬倍。
根據光學衍射極限，如果是相同口徑，MUST 得空間解析度要比「天眼」高一百萬倍，口徑小一些的話，解析度也是一樣。
另外，貴州陰天比較多，「天眼」依然可以工作是因為射電能穿過雲層。但是 MUST 就不行，所以需要到青海這樣的地方。MUST 和我們眼睛接收的波段是一樣的，在那能看到世界上最美的星空。
苟勝老師：天文學對於普通人的生活有什麼影響？
蔡崢：有很多影響，例如 MUST 望遠鏡需要很多線性光學設計，這個目前國內沒有，透過建造 MUST 可以提到我們的精密光學能力。
我們現在手機中拍照用的 CCD 感測器，最早是 NASA 用在哈勃望遠鏡上，希望它能看的更遠。相當於是開啟了影象數字化時代，如果沒有 CCD，那後來的人工智慧也不會出現。
MUST 主要做光譜，清華電子系也在研究新技術，這個技術如果實現了，未來光譜儀就能放到手機裡，可以用來檢測鈔票的真偽，農藥殘留甚至面板癌變。光譜資訊是一個金礦，相當於給照片增加了一個維度。
苟勝老師：未來中國的天宮空間站旁邊也會有一個巡天望遠鏡，它對天文學家的幫助大嗎？
蔡崢：這是 2025 年發射，一個 2.4 米的望遠鏡，視場是哈勃望遠鏡的 300 倍。這個望遠鏡主要用來拍照片，MUST 是拍光譜，兩個望遠鏡天地配合，完全互補，能讓我們的探索往前邁一大步。
*頭圖來源：hubblesite
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