揭秘4.4米“巨眼”JUST

中國天文觀測將再添利器。

日前，上海交通大學宣佈，由該校牽頭建設的我國首個大型通用光譜望遠鏡JUST（Jiao-tong University Spectroscopic Telescope，簡稱JUST）落戶青海冷湖並開啓基建項目建設。JUST建成後，將標誌着國產大型通用光譜望遠鏡實現新的突破。

JUST光譜望遠鏡口徑4.4米，主鏡由18塊正六邊形薄子鏡拼接而成，採用輕量化設計，具備口徑大、集光能力強、響應快速等優勢。望遠鏡配備3臺高性能觀測終端，分別對應三大科學目標：其中多目標光纖光譜儀用於研究黑暗宇宙，積分視場光譜儀用於追蹤動態宇宙，高分辨光譜儀用於探測系外行星。

爲何“定居”冷湖

望遠鏡是開展天文觀測、支撐天文研究的核心設備。然而，國內大型先進觀測設備有限，天文界過去長期依賴國外望遠鏡從事天文研究，通過國際合作或支付觀測費用獲取有限的觀測資源。

“借用別國望遠鏡，不僅貴，還容易耽誤時間，耽擱研究進度。”上海交通大學李政道研究所副所長、JUST項目負責人楊小虎告訴記者，天文研究的一個核心要素就是“天文觀測”，尤其是時域天文，研究進展很大程度上取決於“你能觀測到什麼”。而這種觀測，往往對時效要求極高。

“望遠鏡的建設方和擁有者往往有最高的望遠鏡使用權限，比如我們要申請國外望遠鏡的某個時間段進行觀測，往往只能選擇更高觀測權限的研究者挑選剩下的時間，對方分配給我們的時間就會相對差一些。如果你的觀測時間天氣又恰巧不好，那這次觀測，幾乎可以說是沒有價值的。”楊小虎說。

長期以來，中國的天文學者們都渴望擁有一臺自己的大型通用光譜望遠鏡，這樣才能真正掌握核心觀測資源。

青海省海西蒙古族藏族自治州茫崖市冷湖鎮賽什騰山，是全球天文學家的“朝聖之地”，它的觀測條件可以與世界三大天文臺址——夏威夷的莫納克亞山、加那利羣島以及智利的阿塔卡馬沙漠相媲美。這裡自然條件得天獨厚，氣候乾燥，水汽值低，大氣穩定度優良。冷湖地區人煙稀少，幾乎沒有光污染，是具有優秀視寧度的一流觀測臺址，爲天文觀測提供了絕佳的環境。

上海交通大學於2022年決定建設4.4米口徑的JUST光譜望遠鏡，經深入實地考察，最終確定將冷湖天文觀測基地賽什騰山頂4320米海拔的B平臺，作爲JUST望遠鏡的安置地點。

爲何“捕捉”超新星

JUST建成後，將重點聚焦三方面的科學問題：一是充分發揮光纖數密度高的優勢，開展星系團密集場巡天觀測，促進星系團宇宙學的研究；二是利用望遠鏡響應快的特點，對超新星等暫現源進行後隨觀測，填補暫現源光譜觀測資源的空缺；三是使用超高分辨率光譜儀，對多個亮星進行監測，探測系外行星，尋找第二個太陽系。

星系團是由星系組成的自引力束縛體系，包含數百到數千個星系。比如，地球所在的銀河系屬於本星系羣，該星系羣大約有50個成員星系，而“星系羣”可以被理解爲縮小版本的“星系團”——只有擁有超過100個成員星系，總質量大於百萬億倍太陽質量，才能被稱爲“星系團”。

距離本星系羣最近的一個富星系團，是室女座星系團（Virgo Cluster），最新研究結果表明，它包含了超過3600個星系。目前，天文學家已發現了上萬個星系團，距離最遠的達70億光年。

星系團內，天體數目多且分佈密集，如何全面高效地對這些天體進行光譜觀測？這就需要多光纖光譜儀，多光纖光譜儀往往包含成百上千條光纖，每一條光纖都能進行單獨的觀測。因此，多光纖光譜儀可以同時對某個區域內的多個天體進行觀測，大大提高了光譜觀測效率。

目前，世界上光纖數最多的望遠鏡是美國Nicholas U. Mayall，口徑爲4米。它擁有5000根光纖，目前正在進行暗能量光譜儀星系光譜巡天。但是，這臺光譜儀的光纖密度並不高，在星系團這種密集區域的星系觀測覆蓋率，僅約10%-20%。

JUST望遠鏡建成後，將擁有約2000根光纖，雖然光纖數目並非最多，但它的光纖數密度卻是全球最高的，尤其適合開展星系團的光譜觀測。

此外，JUST望遠鏡的響應速度比較快，非常適合對“超新星”等有時效性的暫現源進行後隨光譜觀測證認。

“超新星”是恆星演化過程中的一個階段，雖然這類天體的名稱是“超新星”，但它並不是新形成的恆星，而是特指大質量“晚年恆星”發生的一種爆炸現象。宇宙初期只有氫元素和少量的氦元素，組成地球以及人類的衆多元素，都是在恆星演化以及超新星爆炸時產生的，正所謂“你我皆星塵”。

因此，超新星爆炸被認爲是一個“重元素創造的過程”，研究超新星，有助於人們理解生命所需元素的宇宙來源。

“讀懂超新星，實際上就能瞭解恆星演化的具體過程。”楊小虎告訴記者，超新星是一個動態的爆發過程，捕捉到這一過程並對它進行光譜證認，以分析其中的元素組成、運動速度及分類等，對研究宇宙的化學演化、恆星生命週期及重元素起源至關重要。而且超新星作爲一種標準燭光，對研究宇宙起源也尤爲重要。

我國已有的墨子巡天望遠鏡和將要升空的中國空間站巡天望遠鏡，都可以“捕捉”超新星，預期每晚會發現幾十到上百個超新星以及其他類型的暫現源。

“但現有光譜望遠鏡的觀測能力嚴重不足，不能及時對這些暫現源進行後隨觀測。”楊小虎說，JUST建成後，將會填補國內大型光譜觀測設施的空缺，對有高研究價值的暫現源進行光譜證認觀測，爲進一步研究這些候選目標天體的物理本質提供幫助。

爲何耗時近10年

據瞭解，JUST的建設將耗時近10年，項目總共分爲兩期工程。第一期爲2023年至2027年，聚焦望遠鏡本體和終端建設工作，按照計劃，2026年將完成JUST先導望遠鏡，2027年建成JUST光譜望遠鏡並獲得首光。第二期爲2028年至2032年，將用5年時間對望遠鏡及終端設備進行升級，進一步提升光譜巡天觀測能力和效率，爲宇宙大尺度結構與星系演化、系外行星探測研究提供具有長期科學價值的基礎數據。

在青海冷湖賽什騰山上“放”一臺望遠鏡，爲啥要耗時那麼久？楊小虎告訴記者，JUST的建設過程，每一步都充滿挑戰。

比如，從望遠鏡本身來講，一個4.4米口徑的主鏡，讓它時刻保證最佳的鏡面形狀，就需要在主動光學領域具備最先進的鏡面校正技術，以消除望遠鏡光學系統及支架受重力和溫度影響引起的變形。

其次是光纖定位，在地球上觀測天體，望遠鏡觀測的跟蹤精度要好於0.1個角秒。“光纖定位系統對準精度要求達到10微米，且2000根光纖都要有這個對準精度。”楊小虎說，這樣才能保證在同一個焦面上一次性精準地“看到”2000個天體，“只有對得準，才能看得到”。

他打了個比方：這就像是用2000個針尖，同時精準戳中2000個只有髮絲直徑十分之一的地方，難度極高。

除望遠鏡本身外，望遠鏡的軟件設計也至關重要。科學家使用望遠鏡開展巡天觀測要制定一個觀測策略，也就是爲所有期望觀測的上千萬候選天體，制定一個觀測程序，這需要一套先進的軟件來完成。

“我們還要考慮到望遠鏡使用的經濟性。”楊小虎說，如果科學家在測光巡天觀測中突然發現一個超新星候選體，他需要JUST光譜望遠鏡後隨觀測來確認“它是不是超新星”。這時，望遠鏡正在進行的光譜巡天觀測是否就要暫停了呢？

按照JUST的軟件設計思路，遇到這種情況，會採用預留的一個光纖束來觀測這顆超新星，剩下的2000根光纖則需要跳出原來的計劃，重新編排超新星所在位置尚未被觀測的候選天體，開展巡天觀測。

“我們期望這種臨時調整能夠在2分鐘之內完成。”楊小虎說，望遠鏡的有效觀測時間很短，一個晚上總共只能看4-6小時，這種有“意外發現”的情況如果出現兩三次，調整時長又太長的話，會極大地影響觀測效率。

他告訴記者，建成後的JUST有望每年產生超過1PB的觀測數據，相當於20萬部高清宇宙紀錄片。這將爲中國天文學研究提供前所未有的數據支持，助力中國天文學家取得更多原創性的重大發現。

來源：中國青年報