冷湖天文台增“墨” 时域天文学添彩
◎本报记者 张 蕴
近日，墨子巡天望远镜正式开启天文巡天观测研究。该望远镜是截至目前全球成像巡测能力最强的大视场光学巡天望远镜，也是冷湖天文观测基地已建成的望远镜群中口径最大的望远镜。
北天球最强“星空摄像师”的开工，将为时域天文学研究带来新机遇。那么，什么是时域天文学？墨子巡天望远镜的哪些特性可为时域天文学研究赋能？带着这些问题，科技日报记者采访了相关专家。
时域天文学将成重大前沿科学领域“金矿”
10月17日，中国科学技术大学、中国科学院紫金山天文台、深空探测实验室和青海省人民政府联合共建的墨子巡天望远镜项目团队向科技日报记者介绍了时域天文学的研究意义与发展方向。
“宇宙并非一成不变，而是动态演化着的。宇宙中有很多天体，当它们的物理、化学等性质发生变化时，相应变化会反映在形态、光度、光谱特征等方面。例如造父变星，当它演化到了不稳定的阶段，其大气层会发生周期性的膨胀或收缩，从而使光度发生周期性改变。”负责望远镜活动星系核观测科学目标的薛永泉介绍，这种光变的周期性使得造父变星成为非常宝贵的“量天尺”。著名天文学家哈勃通过观测造父变星，发现宇宙并非是静态的，而是在不断膨胀，这个发现是宇宙热大爆炸理论的重要观测基础。
负责望远镜太阳系天体观测科学目标的赵海斌补充道：“太阳系天体在空间中运动的同时也会伴随着光度的变化，例如小行星、彗星等的自转和大行星卫星的互掩互食。”
墨子巡天望远镜紫金山天文台总指挥吴雪峰认为，时域天文学在过去10多年已经成为天文学和相关物理研究的重大突破方向，在超新星宇宙学、引力波直接测量、系外行星发现等重要领域产出了一批重大科学突破。时域天文学和基础物理的前沿交叉课题，如暗能量及暗物质的本质、宇宙起源、广义相对论验证、量子引力模型验证等密切相关，已成为基础物理发展的重要驱动力。
值得一提的是，未来10年至20年，时域天文学将成为国际天文学引领性、“金矿”型的重大前沿科学领域。吴雪峰说，时域天文学也是我国天文界具有广泛共识的重点发展方向，在基础研究、技术研发、学科发展和国家战略及需求层面都具有重要意义。
墨子巡天望远镜为时域天文学发展注入新动能
墨子巡天望远镜中国科学技术大学总设计师孔旭告诉记者，墨子巡天望远镜是当前全球投入运行的成像巡天能力最强的光学时域巡测设备。它具有2.5米的大口径，可收集到来自遥远宇宙深空的光子；配备大面阵7.65亿像素高分辨率拼接CCD（即电荷耦合器件）探测器；具有6.5平方度的大视场，可通过对同一天区的高频次反复扫描，捕捉稍纵即逝的天文现象（即暂现源）。
不仅如此，孔旭还介绍，墨子巡天望远镜凭借其强大的光学时域天文观测能力，可与我国地面的大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜（郭守敬望远镜）、500米口径球面射电望远镜（“中国天眼”）、高海拔宇宙线观测站（“拉索”）等大型设备和其他中小口径望远镜开展多波段协同观测。这一方面可以从多波段提高暂现源尤其是短时标暂现源的发现率，另一方面还可获得这些暂现源及其宿主星系的实时谱能量分布。未来几年，随着中国新一代空间天文观测设施陆续发射升空，墨子巡天望远镜将与这些设施实现“天地一体化多波段巡天”的网络搭建。
可以预见的是，墨子巡天望远镜的投运，将为时域天文学研究带来无限可能。对此，望远镜首席科学家王挺贵介绍，墨子巡天望远镜计划开展首期六年的巡天任务，预计产生约3PB的数据，获得数十万条多波段光变曲线。此外，数据中还包括弱透镜形状目录，其中有超过2亿个星系的测光红移和形状信息、约4万个测光选择的星系团等。把这些成像数据叠加，将会得到研究银河系、星系形成和宇宙学的宝贵资源。
未来时域天文学研究仍需攻克技术瓶颈
事实上，对于时域天文学的研究并非一帆风顺。墨子巡天望远镜紫金山天文台总设计师杨戟亦向记者坦言，其研究过程中存在一些困难。
他表示，现代时域天文学观测需要设备视场足够大、反应足够快、曝光足够深、波段足够宽。近年来，高能暂现源的观测越来越受到人们的关注。快速射电暴、引力波事件、伽马射线暴等高能爆发事件对应的暂现源天体往往持续时标很短，只有毫秒到小时量级，它们在天空中一闪而逝。
所以，现代时域天文观测需要协调从空间到地面不同电磁波段、不同宇宙信使的探测器，开展协同观测。这就需要望远镜设备对不同观测设施的暂现源触发信号具有快速自动响应、自动观测，并立即开展实时数据处理的能力。这些技术瓶颈，正是科学家们今后一段时期亟待攻克的方向之一。
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多台望远镜巡天遥测千亿星
墨子巡天望远镜副总设计师、大视场巡天科学研究团组首席研究员郑宪忠介绍，截至目前，世界范围内已不乏其他时域天文望远镜“巡测星空”。
比如，斯隆数字巡天是历史上最雄心勃勃、最具影响力的巡天项目之一，该项目使用2.5米口径专用望远镜获得了数百万星系、类星体和恒星的光谱；卡特林那巡天系统使用3台宽视场望远镜在33000平方度的天区寻找罕见的明亮暂现源；维拉·C·鲁宾天文台位于南半球的智利，预计将于近一两年投入使用，该天文台将配备一台8.4米口径的旗舰宽视场巡天望远镜，预计r波段30秒曝光极限星等达到24.5等。
“值得一提的是，墨子巡天望远镜可与维拉·C·鲁宾天文台大型综合巡天望远镜在天区覆盖上互补，实现全天时域监测。”郑宪忠说。