探秘中國現(xiàn)代光學(xué)天文的搖籃
興隆站全景（圖源：陳穎為）
世界上只有兩件事物能夠震撼人們的心靈：一件是我們心中崇高的道德準(zhǔn)則，另一件是我們頭頂上璀璨的星空。
——Immanuel Kant（伊曼努爾·康德）
撰文 | 閆宏亮（中國科學(xué)院國家天文臺）
陳穎為（中國科學(xué)院國家天文臺）
編輯 | 金莊維
人類對于星空的敬畏和好奇從來不需要理由，喜歡仰望星空似乎是我們與生俱來的天性。對星空的觀察始于我們的眼睛——人類最直接的光信號收集設(shè)備。視力優(yōu)秀的人最多可以在夜晚看到大約5000顆星，然而對于整個(gè)宇宙來說，這個(gè)數(shù)量少得可以忽略不計(jì)。據(jù)說僅僅在我們的銀河系中，就有超過1000億顆恒星。這是如此巨大的一個(gè)數(shù)字，以至于完全超出了人類的想象，使得這個(gè)數(shù)值本身似乎都已經(jīng)失去了意義。
圖1. 銀河系全景（圖源：ESO）
想要看到更暗的恒星和更深邃的宇宙，必須借助天文望遠(yuǎn)鏡的力量。在河北省內(nèi)燕山主峰霧靈山南麓的連營寨，九座現(xiàn)代化的天文望遠(yuǎn)鏡佇立于郁郁蔥蔥的山脊之上，這里就是當(dāng)今亞洲規(guī)模最大的光學(xué)天文觀測基地——中國科學(xué)院國家天文臺興隆觀測站。如果不是偶爾還能看到頗具年代感設(shè)計(jì)的外國家專家公寓和紅磚圍墻，很難想象這座占地700畝的現(xiàn)代化天文觀測站已經(jīng)經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)的滄桑。
興隆站沙盤模型（圖源：陳穎為）
手可摘星辰的世外桃源
興隆縣隸屬于河北省承德市，它位于北京的東北方向，被北京、承德、天津和唐山四個(gè)城市所環(huán)繞，海拔約900米。生活在城市中的人如果去過興隆站，大概就會被這里優(yōu)美的自然環(huán)境所吸引。
興隆站的美麗多半要?dú)w功于建站之后的綠化。從山下抬頭仰望，漫山遍野都是茂密成林的油松。無論是春季的漫山野花、夏季的延綿云海、秋季的無盡紅葉還是冬季的皚皚白雪，加上永遠(yuǎn)寧靜的村莊和清潔的空氣，總讓人流連忘返，有一種身處世外桃源的幻覺。
圖3. 興隆站松樹上的松鼠（圖源：符曉婷）
不過若你有幸在這里留宿，夜晚的興隆站才會真正展現(xiàn)出她最迷人的一面。晶瑩的銀河在你的頭頂上空劃過，滿眼的繁星讓你應(yīng)接不暇。也許在此之前你從未感受過星空的壯麗，但在這里只要你抬頭一望，便立刻能領(lǐng)悟“震撼”二字的含義。之前那些似乎只停留于紙面上的星座，現(xiàn)在正清晰地展現(xiàn)在你的眼前，講述著它們各自的故事。牛郎和織女仿佛不再如傳說般遙遠(yuǎn)，獵戶的身影再也不撲朔迷離，就連淡藍(lán)色的昴星團(tuán)似乎也近在眼前。這時(shí)你會深切理解什么叫做“手可摘星辰”。若是時(shí)機(jī)合適，在你仰望星空之時(shí)甚至總能捕捉到一些流星的身影，它們就像夜晚的精靈，在你眼前突然出現(xiàn)，又在你回過神來之前急速消失，讓你在興奮尖叫的同時(shí)，又懷疑自己是不是產(chǎn)生了幻覺。
圖4. 興隆站的夜空（圖源：陳穎為）
建在哪？
和普通望遠(yuǎn)鏡不同，科研用的天文望遠(yuǎn)鏡更大、更重、精度更高，同時(shí)也很難移動。因此建設(shè)天文望遠(yuǎn)鏡之前，必須考慮一個(gè)重要的問題：建在哪？這個(gè)過程叫做“選址”，天文學(xué)家們需要前往全國各地人煙罕至之處（為了避開光污染），選擇晴夜數(shù)較多（有更多的時(shí)間可以觀測）、大氣寧靜度較好（拍攝的圖像質(zhì)量會更好）的地點(diǎn)作為臺址。
在選擇興隆之前，負(fù)責(zé)選址的科學(xué)家們在荒郊野嶺中尋覓了十一年，這期間的苦累同經(jīng)常出現(xiàn)的生命危險(xiǎn)相比，反而變得不值一提。為了找到一塊優(yōu)良的天文臺址，當(dāng)時(shí)動用了幾乎所有可能的手段，部隊(duì)甚至出動了軍用偵察機(jī)安-2載著三位選址科學(xué)家進(jìn)行地形勘察。現(xiàn)在的興隆站正是這樣被發(fā)現(xiàn)的。
興隆站目前共有50厘米以上的天文望遠(yuǎn)鏡9架，它們組成了中國光學(xué)天文的明星戰(zhàn)隊(duì)。這里既有著名的地標(biāo)性建筑郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST），又有我國自主研制的第一臺大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡“216”，還有身材雖小但貢獻(xiàn)超群的“性價(jià)比之王”施密特望遠(yuǎn)鏡，等等。每一臺望遠(yuǎn)鏡背后都有著精彩的故事，凝結(jié)著天文學(xué)家和工程師們的汗水。更重要的是，它們在各自領(lǐng)域既做出過基礎(chǔ)的科學(xué)貢獻(xiàn)，又不乏發(fā)表于《自然》等頂級期刊的研究工作。由于篇幅問題我們無法一一講述，我們這里只選擇幾個(gè)例子略作介紹。
LAMOST望遠(yuǎn)鏡——最高效的“奇葩”
LAMOST是目前我國最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，其有效通光口徑達(dá)到4米。去過興隆站的人永遠(yuǎn)都不會忘記LAMOST，它明顯異于其他望遠(yuǎn)鏡的造型簡直就是在對別人說：快看我啊。于是當(dāng)你興沖沖跑到它的“鏡筒”前面，想體驗(yàn)一下這個(gè)龐然大物震撼的主鏡時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)…… 這個(gè)“鏡筒”竟然是堵！死！的！
圖5. LAMOST望遠(yuǎn)鏡（圖源：陳穎為）
實(shí)際上，這個(gè)像大炮一樣的結(jié)構(gòu)的確是LAMOST的鏡筒，只不過和我們平時(shí)的想象不太一樣，星光并不是從最高的位置進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡的，而是從最低處。為什么出現(xiàn)如此“奇葩”的設(shè)計(jì)呢？工程師們當(dāng)然不是為了讓你搞錯鏡筒的方向而刻意為之，這是由LAMOST的特點(diǎn)所決定的。
LAMOST實(shí)際上是其全稱——“大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡”——的英文縮寫。從名字中可以看到，它的一個(gè)重要的特點(diǎn)就是“大天區(qū)面積”，換句話說，就是看到的天空范圍大，這個(gè)“范圍”在天文學(xué)上叫做視場。
一般來說，望遠(yuǎn)鏡的口徑和視場難以兼顧，也就是說口徑越大，視場越小。大口徑意味著更多的進(jìn)光量，能夠看到更暗的星，是每個(gè)天文學(xué)家都追求的參數(shù)；大視場則意味著可觀測的天區(qū)范圍更廣，可同時(shí)觀測的目標(biāo)數(shù)量也更高。若使用傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，就勢必要在兩者之間進(jìn)行取舍，但中國天文學(xué)家們表示，我們不做選擇，兩個(gè)都要。
LAMOST采用了中星儀式反射施密特結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，巧妙地避免了大口徑和大視場無法兼顧的問題。它用來接收星光的反射鏡實(shí)際上并不是位于南端的最高點(diǎn)，而是位于北面的圓頂里，通過圓頂中的改正鏡MA指向不同的天空位置，可以將天上星星的像反射到鏡筒內(nèi)部。而在鏡筒的最高處，是球面主鏡MB（它是朝下裝的，為了看到MA），通過MA和MB的配合，可以將星象調(diào)整到最佳狀態(tài)，反射到中間的“焦面”上。
圖6. LAMOST光學(xué)系統(tǒng)
由于LAMOST能夠觀測的天區(qū)范圍很大，天文學(xué)家便在焦面上安裝了4000根光纖，這樣一次觀測就能夠拍攝約4000個(gè)天體的光譜。這個(gè)數(shù)字可不得了，一下子讓LAMOST成為了世界上光譜獲取效率最高的望遠(yuǎn)鏡。高到什么程度呢？就是6年下來獲取了900萬條光譜，形成人類目前所擁有的最大的天體光譜庫。盡管天文學(xué)家距離觀測完整個(gè)銀河系的全部恒星還有很長一段路要走，但這樣的數(shù)量已經(jīng)大到足夠?yàn)殂y河系中的各類天體進(jìn)行“星口普查”了。例如，天文學(xué)家利用LAMOST為銀河系重新畫像，兩次刷新了銀河系半徑大小，從原來的5萬光年擴(kuò)大到了10萬光年，增加了一倍——相當(dāng)于北京市從二環(huán)直接擴(kuò)大到了五環(huán)。
圖7. 銀盤半徑大小變化示意圖（圖源：元博制圖）
同時(shí)，數(shù)量龐大意味著我們發(fā)現(xiàn)能夠從中發(fā)現(xiàn)大量有個(gè)性的恒星。它們有的富甲一方，比如最近LAMOST發(fā)現(xiàn)了人類已知的鋰含量最高的巨星，它的鋰含量是同類恒星的3000倍以上，堪稱“宇宙最大充電寶”，這個(gè)發(fā)現(xiàn)發(fā)表于《自然·天文》期刊。有的歷史悠久，比如LAMOST最近發(fā)布了萬余顆來自宇宙早期的貧金屬星，它們?nèi)缤钪娴摹盎币粯佑涗浟擞钪嬖缙诘难莼畔ⅰＳ械膭t是運(yùn)動健將，比如LAMOST找到了一批超高速星，它們的速度快到甚至可以擺脫銀河系的引力而飛走。
圖8. 富鋰巨星想象圖（圖源：李珊珊）
2.16米望遠(yuǎn)鏡——老當(dāng)益壯的星空獵手
2.16米望遠(yuǎn)鏡是興隆站的又一當(dāng)家花旦，天文圈的人都親切地稱她為216。很多人奇怪：為什么望遠(yuǎn)鏡的直徑不取一個(gè)整數(shù)呢？其實(shí)這是按照英制單位來計(jì)算的，她是一架85英寸口徑的望遠(yuǎn)鏡，換算過來就是2.16米。這架望遠(yuǎn)鏡是由我國自主設(shè)計(jì)并建造的天文望遠(yuǎn)鏡。她于1986年奠基，1989年落成，后又經(jīng)歷過多次設(shè)備改進(jìn)和優(yōu)化升級，直到現(xiàn)在依然是中國光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的主力之一，并貢獻(xiàn)過大量一流的科學(xué)成果。
如果沒有親眼見證過這架巨大的望遠(yuǎn)鏡，普通人可能很難想象出它的尺寸，盡管聽起來她只有2.16米，感覺應(yīng)該和一個(gè)高個(gè)子的人差不多大小。但其實(shí)2.16米指的是望遠(yuǎn)鏡的口徑，而整個(gè)望遠(yuǎn)鏡要遠(yuǎn)比一個(gè)成年人大得多、也重得多。
這個(gè)巨無霸對施工條件和經(jīng)驗(yàn)均有限的安裝團(tuán)隊(duì)提出了極大的挑戰(zhàn)。1988年，望遠(yuǎn)鏡正式出廠后，各個(gè)部件被運(yùn)往興隆站準(zhǔn)備安裝。但望遠(yuǎn)鏡的重量幾乎是吊裝支撐結(jié)構(gòu)能夠承受重量的兩倍，這導(dǎo)致吊裝過程面臨了巨大的困難和風(fēng)險(xiǎn)，試想一下這么價(jià)值連城、且承載著老一代天文學(xué)家夢想和新一代天文學(xué)家未來的“易碎品”，是無論如何都不能夠在安裝過程中出現(xiàn)跌落和磕碰的。
為了確保萬無一失，團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人甚至到洛陽找到了解放軍一支工程兵特種部隊(duì)求助。這支部隊(duì)在大型設(shè)備的設(shè)計(jì)和安裝上堪稱無敵，我國的第一顆原子彈的試驗(yàn)塔就是這支部隊(duì)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)制造的，更牛的是他們還順手將原子彈安裝到了幾十米高的塔架上。由這支負(fù)責(zé)“吊裝”原子彈的部隊(duì)工程師來設(shè)計(jì)吊裝216，應(yīng)該是最為穩(wěn)妥的辦法了。最終團(tuán)隊(duì)不負(fù)眾望，成功將這臺總重為55噸的設(shè)備安裝完成。
圖10. 216望遠(yuǎn)鏡照片與真人對比（圖源：陳穎為）
216望遠(yuǎn)鏡投入觀測的30年來，產(chǎn)生了一大批有代表性的成果，特別是和超新星有關(guān)的觀測讓216名聲大振。超新星是宇宙中最為劇烈的事件之一，是恒星在演化末期經(jīng)歷的一種劇烈爆炸，其瞬間釋放的能量甚至可以匹敵太陽在一生中所輻射的總能量。
1993年，一顆亮超新星SN1993J爆發(fā)，216正好將整個(gè)變化過程完整地記錄了下來。研究人員進(jìn)行光譜分析后，發(fā)現(xiàn)來自氧的禁線出現(xiàn)藍(lán)移的現(xiàn)象，便想到超新星爆發(fā)可能是不對稱的。這項(xiàng)研究被《自然》所發(fā)表，這種不對稱爆發(fā)的超新星模型被稱為手指（finger）模型。
216望遠(yuǎn)鏡的另一個(gè)被《自然》所發(fā)表的成果也和超新星有關(guān)。一個(gè)國際天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了迄今為止爆發(fā)最劇烈、爆發(fā)方式最為奇特的超新星iPTF14hls。這顆超新星自1954年以來，已經(jīng)爆炸過6次。如果說超新星爆發(fā)是恒星壯麗的終結(jié)，那么這顆反復(fù)爆發(fā)的恒星就如同是擁有不死之身一樣。在它最近一次爆發(fā)后，其光譜序列中最早的兩條光譜正是由216所拍攝。
小型望遠(yuǎn)鏡——性價(jià)比之王
除了4米級的LAMOST和2米級的216望遠(yuǎn)鏡，興隆站還有數(shù)架1米級及以下的小型望遠(yuǎn)鏡。如果你因?yàn)榭趶叫【偷凸浪鼈兊膶?shí)力，那可就大錯特錯了。事實(shí)上，這些小型望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)成果一點(diǎn)都不少，有些成績在國際天文學(xué)界甚至堪稱經(jīng)典之作。
小型望遠(yuǎn)鏡的造價(jià)和維護(hù)成本都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大中型望遠(yuǎn)鏡，但它們的產(chǎn)出依然碩果累累，可以說是性價(jià)比最高的望遠(yuǎn)鏡了。這里我們就通過一個(gè)例子帶大家稍微領(lǐng)略一下這些“性價(jià)比之王”的風(fēng)采。
施密特望遠(yuǎn)鏡是一架古老的小型望遠(yuǎn)鏡，它于1963年安裝完畢，并于1968年被遷移至興隆觀測站。雖然它的口徑僅有60/90厘米，但憑借出色的光學(xué)素質(zhì)、優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)和清晰的科學(xué)目標(biāo)做出了相當(dāng)多的科學(xué)成績。
來自這架望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)曾經(jīng)直接否定了由美國天文學(xué)家發(fā)表在《自然》上的一項(xiàng)研究的結(jié)果。美國天文學(xué)家對NGC5907這個(gè)星系進(jìn)行觀測后，發(fā)現(xiàn)其外圍強(qiáng)度下降慢，斷言天文上所謂的“失蹤物質(zhì)”不過是我們看不到的一些暗天體，它們存在于星系外圍。但是施密特發(fā)現(xiàn)了星系盤面上還有個(gè)一環(huán)，光度輪廓下降緩慢僅僅是這個(gè)環(huán)的“貢獻(xiàn)”。
如果你想親自體驗(yàn)……
興隆基地在服務(wù)于科研發(fā)展的同時(shí)，一直在積極推進(jìn)“科教結(jié)合”和全民科學(xué)普及工作，希望提高公眾天文素養(yǎng)。迄今，興隆站開展了豐富多彩的科普互動，其中包括：與清華大學(xué)、北京師范大學(xué)、廣州大學(xué)分別共建了80厘米、85厘米、1.26米望遠(yuǎn)鏡；作為北京大學(xué)、北京師范大學(xué)、山東大學(xué)、河北師范大學(xué)等十余所高校的學(xué)生實(shí)習(xí)基地，每年接待高校學(xué)生實(shí)習(xí)300余人次并聯(lián)合培養(yǎng)研究生；每年接待公眾參觀10000余人次。
興隆站的天文科普之旅有兩大必到之處，一是中心樓的展廳，其中不但坐落著興隆站全站的沙盤模型，還陳列著多種天文儀器和望遠(yuǎn)鏡模型。沙盤可以一目了然俯視興隆基地全貌，知曉所有天文圓頂?shù)奈恢?。郭守敬望遠(yuǎn)鏡的設(shè)備模型可以幫助我們了解該望遠(yuǎn)鏡的工作原理。另一個(gè)是位于興隆站南側(cè)平臺的公共天文臺，這里白天可以用日珥鏡觀賞太陽色球?qū)踊顒樱雇砜梢杂猛h(yuǎn)鏡觀看星空，不僅可以觀賞天體，還可以拿出手機(jī)拍攝很多天體的高清照片，絕對是你的朋友圈集贊利器。
圖11. 興隆站的公共天文臺上擺滿了各式望遠(yuǎn)鏡（圖源：陳穎為）
結(jié)語
據(jù)說“興隆”二字來源于古語，意為“夜晚的草席”或“星空下酣睡之處”。雖然這個(gè)說法已經(jīng)無可考據(jù)，但至少用來形容現(xiàn)在的興隆可謂恰到好處。興隆觀測站可以稱得上是新中國光學(xué)（包括紅外）天文觀測的搖籃。更難能可貴的是，這座歷史悠久的觀測站五十年來似乎從未老去，隨著更多新設(shè)備的落成和舊設(shè)備的升級改造，越發(fā)顯得年輕和光彩奪目。
作者簡介
閆宏亮，中國科學(xué)院國家天文臺助理研究員，南京大學(xué)天文學(xué)學(xué)士，中國科學(xué)院大學(xué)天體物理博士、優(yōu)秀畢業(yè)生。美國新墨西哥州立大學(xué)訪問學(xué)者。先后就職于中國科學(xué)院上海天文臺、國家天文臺。中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會會員，中國科學(xué)院天文大科學(xué)研究中心LAMOST優(yōu)秀骨干。主要研究方向?yàn)楹阈俏锢?、天體化學(xué)豐度、銀河系化學(xué)演化等。
陳穎為，中國科學(xué)院國家天文臺高級工程師，主要從事專業(yè)天文望遠(yuǎn)鏡及相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)和技術(shù)改造工作以及天文科普工作，并在多年的科普工作中獲得普遍贊譽(yù)。榮獲2014年中國科學(xué)院科普先進(jìn)個(gè)人、2015年國家天文臺榜樣人物等稱號。
