鲁宾天文台运行在即，能引领下一场天文学革命吗？

夜幕中薇拉・鲁宾天文台与银河遥遥相。 图源： RubinObs/NOIRLab/NSF/AURA/B.Quint

导读： 随着韦伯望远镜成功运行，并在过去两年时间内带来了众多重要的科学发现和观测成果，人们越来越意识到天文学作为一门以观测为主的学科, 望远镜设备的建造主宰着学科的发展。 从2015年开始建设的薇拉・鲁宾天文台目前进入最后施工阶段，天文学家们期待其能够引领下一场天文学革命。 李晨睿 | 撰 文‍‍

陈晓雪 | 编辑

今年5月中旬，世界上最大的数字相机——时空遗产巡天 （Legacy Survey of Space and Time，简称LSST） 相机，成功抵达薇拉・鲁宾天文台进行调试。紧接着，在10月28日，用于系统测试的低分辨率相机捕获了第一批天空数据，并成功传输至加州的美国国家加速器实验室。这一里程碑不仅表明鲁宾天文台的各项工程系统已搭建完成，更标志着一台完整且功能齐全的望远镜的诞生。 顺利的话，2025年1月，32亿像素的LSST将被安装到望远镜中心。经过约六个月的调试期，天文学界翘首以盼的鲁宾天文台将在2025年中期首次公开发布天文图像。 薇拉・鲁宾天文台原名大型综合巡天望远镜 （Large Synoptic Survey Telescope） ，2019年开始以已故的美国女天文学家薇拉・鲁宾 (Vera C. Rubin) 命名，位于智利首都圣地亚哥以北约482 公里，研究重点是探索宇宙中最神秘的组成部分——暗物质。 从2015年开始建设，鲁宾天文台承载着天文学界的巨大期待。“10年后，我们有可能将谈论新的科学领域、新的物体类别、新的发现奇迹。这真的是一件令人十分兴奋的事情。”鲁宾天文台的天文学推广专家克莱尔·希格斯 （Clare Higgs） 说道。

SAIXIANSHENG 薇拉·鲁宾与宇宙的“dark side”
维拉·C·鲁宾 （Vera C. Rubin，1928-2016） 是美国著名的天体物理家，1928年出生于美国费城，1954年在乔治城大学取得博士学位。1965年，她加入华盛顿卡内基研究所地磁学系，在那里遇见了她的长期合作者肯特·福特 （Kent Ford） 。使用福特发明的显像管摄谱仪，她通过测量仙女座星系中恒星的速度来了解螺旋星系的旋转速度 [1] ，这一工作成为了暗物质理论第一个令人信服的证据。

Vera C. Rubin 根据牛顿万有引力定律，如果星系的质量主要集中在其核区，那么星系外围恒星的旋转速度将随着离中心的径向距离增大而减小，像我们在太阳系中看到的行星那样：距离太阳越远公转速度越小。 但鲁宾的观测结果显示，随着离星系中心越来越远，恒星的旋转速度并不会减小，反而会随径向距离增加并逐渐趋于平缓。 如果牛顿引力没错，那么这一观测现象就意味着星系中可能存在大量有质量的不可见物质分布在星系外围，且其质量远大于那些我们能看到的发光物质的质量总和。 20世纪20~30年代，两位荷兰天文学家卡普坦 (Jacobus Cornelius Kapteyn) 、奥尔特 （Jan Hendrik Oort） 和在美国工作的瑞士天文学家兹威基 （Fritz Zwicky） 等人相继提出暗物质理论 [2] ，但在鲁宾的光学观测结果问世之前，暗物质是一个还没有得到认真对待的概念。对于1970年仙女座星系的观测结果，鲁宾与福特最初并没有将关注点指向暗物质。之后他们持续研究了十个高亮度螺旋星系，发现这些星系的旋转曲线在测量半径的最外部是也是平坦的，并将结果发表在1978年的文章中 [3] 。这项工作已经成为最著名和被广泛引用的证明暗物质存在的工作之一，与70年代对于星系外围气体旋转曲线的射电观测一起，引起了学界的广泛关注，并从此开启了长达数十年的暗物质粒子搜寻工作。当然，鲁宾的观测也为物理学带来了新的担忧：暗物质是否并不存在，只是引力理论本身需要修正？鲁宾最早也是支持修改引力理论的科学家之一。她说：“如果可以让我选择的话，我会说牛顿定律必须经过修改才能正确描述远距离的引力相互作用。这比宇宙中充满了未知的新粒子更吸引人”。 [4]

螺旋星系Messier 33 测量到的旋转速度随径向距离曲线（带有误差条的黄色和蓝色点），以及根据可见物质分布应用引力理论预测的旋转曲线（灰线）图源：[5] 若暗物质存在，那么它的特性会深刻影响宇宙的演化方式——星系将在暗物质“团块”中形成和生长，聚集在一起形成纤维状细丝，构成科学家称之为宇宙网的结构。麻省理工学院物理学教授戴维·凯泽 （David Kaiser） 表示， “暗物质似乎在整个宇宙中无处不在，但对于大片夜空来说，暗物质究竟是如何随着时间的推移而聚集成团的，仍然难以量化。” [6] 为了真正理解和测量宇宙的这种大尺度结构，鲁宾天文台计划 利用弱引力透镜效应来“称量”宇宙质量，绘制宇宙的三维暗物质分布图 。通过对布满天空的数百亿个暗淡的星系进行多波长深度成像，我们可以得到这些星系的光度红移，不同红移相当于不同距离（或不同时间）的宇宙切片，在每个红移切片下，我们都可以绘制出与已知星系相关的暗物质分布图，从而获得宇宙中暗物质分布的3D地图。这项技术被称之为弱引力透镜层析 (tomographic weak lensing) [ 7] 。 为了实现这一目标，我们需要能够观察大片的天空，同时也能够看到最微弱、最遥远的星系的望远镜来进行大规模巡天测绘， 这正是鲁宾天文台的重点设计目的之一。凭借其巨大的天空覆盖范围和探测微弱物体的能力，鲁宾天文台的LSST相机将为科学家提供解开暗物质和其他宇宙之谜所需的庞大数据集。

当来自遥远光源的光经过质量集中的区域时，其光线路径会弯曲，导致遥远光源出现在天空中发生变化的位置，并导致其形状发生明显的扭曲。图源: [8] SAIXIANSHENG 一场持续10年的宇宙延时摄影
“我们正在制作宇宙的数字彩色电影，”鲁宾天文台首席科学家托尼·泰森 （Tony Tyson） 说。“它将包含我们无法通过其他方式获得的信息。” [9] 2025年鲁宾天文台开始运行后，其庞大、不间断的天空观测系统将打造有史以来规模最大、数据最丰富的电影—— 一部跨越浩瀚时空、记录数万亿宇宙事件与天体的 10 年高精度编年史 ，这将推动天文学从图像时代进入电影时代 。它的巨型巡天望远镜，拍摄对象不是由天文学家提案的特定天体，而是整个可见天空。每隔几个晚上，LSST 相机将对南天整个可见天空进行快速的地毯式成像，望远镜的设计使它能够快速移动，在短时间内从一个目标天区切换到另一目标天区，每个晚上将产生数千张图片。它将持续观测南天夜空整整十年。 “想象一下，我们将能够看到一群星系，（甚至）观察超新星在延时摄影中爆炸。这些是以前从未存在过的能力。 ” 美国国家科学基金会鲁宾天文台项目主任艾德·阿贾尔 (Ed Ajhar) 说道。 [10]

LSST观测策略模拟图，望远镜进行快速并重复的拍摄，最终提供有史以来最宽、最快和最深的夜空视图。图源：[11] SAIXIANSHENG 世界上最大的数码相机， 将带来数据革命
LSST 相机是迄今为止世界上最大的数码相机，重约 3000 千克，大小相当于一辆小型汽车，其传感器具有令人难以置信的 32亿像素，相当于300个手机的像素。它能够观测近紫外到近红外 （0.3-1 μm） 波长的光，并能够在不到两分钟的时间内更换用于拍摄不同波段的滤镜。 鲁宾天文台台长斯蒂夫·坎恩 （Steve Kahn） 说：“如果我们要完成对天空的比较研究，我们就需要这样一个大望远镜和大相机”。这个30亿像素的相机能拍下10平方度的天空，这是什么概念呢？相当于40倍月亮的面积。 “我们将能得到整个天空的深度影像。但是更为重要的是，我们能取得时间顺序。我们将看到哪些恒星的亮度有变化，看到流星和小行星等在天空移动的任何星体。” 坎恩解释说。 [12] 该相机每 30 秒可以拍摄一张照片，每天就会产生20 TB的数据，在为期10年的延时摄影中，将收集到60PB的数据，如此大的数据量是哈勃空间站自1990年发射以来34年内拍摄到的数据的100倍；是亚马逊数据库的1500倍；维基百科的所有数据的100万倍！ [13] 前所未有的海量天文数据，意味着仅使用人工筛选分类是不可能的，科学家们必须在数据到达时就使用AI对其进行分类分析，以应对这场即将到来的天文数据革命。 SAIXIANSHENG 令人期待的其他探测目标
如此浩大的巡天任务，要解决的科学问题不会只有绘制暗物质分布这一项。鲁宾天文台计划的4项重要科学目标，每一项都让天文学界翘首以盼。 鲁宾天文台的首个目标，就是 探索暗物质，理解暗能量 。 暗物质的存在已经足够令人困惑了，它暗示着一种全新类型的亚原子粒子的存在，暗能量则是一种更加神秘的加速宇宙膨胀的力量。通过将Ⅰa 型超新星观测数据与宇宙大尺度结构和宇宙微波背景 （CMB）（宇宙诞生时的遗迹光） 的检查相结合，科学家们证实了宇宙膨胀速度正在增加，就好像宇宙加速踏板被卡住了一样。有什么东西正在撕裂宇宙。 [14] “你可以把暗物质想象成试图聚拢物质并构建宇宙结构的物质，而暗能量实际上是试图稀释它们并将它们推开，” SLAC 国家实验室的鲁宾运行科学家普拉萨斯·马拉贡说 。[15] 塑造宇宙的大尺度结构是暗物质和暗能量之间的宇宙拔河游戏，暗能量通过哈勃膨胀和减缓质量聚集来影响宇宙历史。如果我们能够制作一张详细的宇宙地图，显示出不同时间 （也就是不同红移） 的许多不同星系。我们就可以更多的了解宇宙的结构，以及它是如何随着时间推移而膨胀的。 正如前面所说，引力透镜不仅可用于绘制暗物质分布，其随红移的演化还能够对暗能量的性质设置多个独立的强约束。除此之外，超新星也能帮助我们做到这一点。迄今为止最有效的宇宙学探针包括弱引力透镜宇宙剪切、星系团簇和重子声学震荡、Ⅰa型超新星的光度测定，等等 [16] ，所有这些都是红移的函数。组合使用这些探针，通过同时测量质量增长和时空曲率 （宇宙膨胀和暗物质结构增长） 随红移的变化，LSST 将有希望达到区分现今暗能量模型所需的精度，探讨广义相对论是否需要修正等根本性问题。 [17] 鲁宾天文台的第二个科学目标，是 测量数百万个太阳系移动物体的属性 ，包括轨道、颜色和变化信息。其探测的天体包括近地天体 (NEO) 与60%-90%的潜在危险小行星 (PHA) ；位于火星和木星之间主小行星带中的小行星；以及位于外太阳系柯伊伯带的小行星和彗星等。 对于太阳系这个我们自以为再熟悉不过的家园，其实依然有很多问题未能解决：在太阳系年轻时，尘埃盘是如何形成现在的行星轨道的？太阳系为什么与其他行星系统如此不同？对小行星和彗星位置与轨迹的研究可能会使我们搞清楚为什么太阳系看起来像现在这样。同时，LSST的搜索能力可以让我们提前预警，保护地球免受近距离飞行小行星的侵害。 绘制银河系地图 ，则是鲁宾天文台的第三个目标。 银河系作为宇宙中一个相当典型的星系与我们的后院，是星系生长和发展的研究范例。银河系的结构和演化历史是怎样的？太阳附近恒星的基本属性是什么？鲁宾天文台将回答这两个基本问题，来加深我们对银河系的认识。 除此之外， 检测瞬态天文事件，探索不断变化的天空 ，是鲁宾天文台将持续不断要做的事情。 太空并不无聊，那里无时不刻在发生大量的事情，但太多太多激动人心的“太空活动”实际上很容易错过。有时它们很远或发出的光很微弱，而有时我们只是没有在正确的时间看向一片正确的天空。通过对整个夜空进行重复、深度的成像，LSST不仅能揭示有关已知类型的变星和宇宙爆炸的新信息，还可能发现我们从未知晓的全新类别的瞬变事件。 “我们预计望远镜每晚会发出约 1000 万条警报，”希格斯说。“警报是天空中发生的任何变化，涵盖一系列科学案例，例如太阳系物体、小行星和超新星。我们预计会有数百万个太阳系恒星和数十亿个星系，这就是为什么机器学习非常重要。” [6] 作者简介： 李晨睿，天体物理专业研究生，研究方向为星际磁场，恒星形成。 参考文献：（ 上 下滑动可浏览）

1.Rubin V C, Ford Jr W K. Rotation of the Andromeda nebula from a spectroscopic survey of emission regions[J]. Astrophysical Journal, vol. 159, p. 379, 1970, 159: 379. 2.Bertone G, Hooper D. History of dark matter[J]. Reviews of Modern Physics, 2018, 90(4): 045002. 3.Rubin V C, Ford Jr W K, Thonnard N. Extended rotati on curves of high-luminosity spiral galaxies. IV-Systematic dynamical properties, SA through SC[J]. Astrophysical Journal, Part 2-Letters to the Editor, vol. 225, Nov. 1, 1978, p. L107-L111., 1978, 225: L107-L111. 4.Brooks, Michael. 13 things that do not make sense . New Scientist. Reed Business Information, Ltd. 19 March 2005 [2010-10-19] 5.Corbelli, E.; Salucci, P. (2000-01-15). "The extended rotation curve and the dark matter halo of M33" . Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 311 (2): 441–447. 6. https://edition.cnn.com/science/vera-rubin-worlds-largest-camera-spc/index.html 7. https://www.lsst.org/science/dark-matter/dark-matter-in-depth 8. https://www.ctc.cam.ac.uk/activities/ng/thursdaytalks/Varga_Cambridge%20Weak%20Lensing%20towards%20Dark%20Matter%20Structures%20v2.pdf 9. https://new.nsf.gov/science-matters/nsf-doe-rubin-observatory-will-capture-unseen-cosmos-dark 10. https://new.nsf.gov/science-matters/nsf-doe-rubin-observatory-will-capture-unseen-cosmos-dark 11. https://www.youtube.com/watch?v=lihiuTTinYg&t=208s 12.https://www.bbc.com/zhongwen/simp/science-54086015 13. https://www.youtube.com/watch?v=X3N-DjVXh44&t=719s 14. https://www.lsst.org/science/dark-energy 15. https://rubinobservatory.org/news/unravel-mysteries-dark-universe 16.Ivezić Ž, Kahn S M, Tyson J A, et al. LSST: from science drivers to reference design and anticipated data products[J]. The Astrophysical Journal, 2019, 873(2): 111. 17. https://www.lsst.org/science/dark-energy/dark-energy-explained

BOOK TIME 《 宇宙中的大象 》 [荷] 霍弗特·席林 著 胡奂晨 译 中信出版社 2023年11月出版
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在《宇宙中的大象》里，荷兰天文学记者、科普作家霍弗特·席林引领我们追踪了人类追寻暗物质的迷人故事。和那些致力于弄清楚理论与观测结果的宇宙学家与物理学家一起，他绘制了一幅绚丽多彩的图景，包括暗物质研究的历史，也介绍了研究的现状。我们应当全面地看待暗物质，它是难解的问题，也是新的机遇，而且是将科学付诸行动的案例。 星标《赛先生》 公众号， 不要错过我们每日为您精心准备的高质量文章！

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