望远镜为什么会长这样？

如果把中国的天文重器排个“颜值榜”，郭守敬望远镜（The Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope，英文简称LAMOST）绝对是最具辨识度的那个。它既不像FAST天眼那样是“球面巨碗”，也不像很多光学望远镜那样是“笔直炮筒”，反而像一支巨型钢笔，笔尖向上仰角25度，斜斜地指向天空，庞大的身躯牢牢固定在地面上。

很多人第一次看到它的时候，都会问相同的问题：这台完全由中国自主设计、自主建造的望远镜，究竟为什么要设计成这个样子？

基本信息

全称：大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜（The Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope，英文简称LAMOST）

命名由来：2010年正式冠名为“郭守敬望远镜”，以纪念元代天文学家郭守敬

地点：中国科学院国家天文台兴隆观测站（河北省兴隆县）

时间线

提出与论证：项目思想由王绶琯院士、苏定强院士于上世纪90年代初提出

立项：1997年正式获批，成为我国首个天文领域国家大科学工程

开工：2001年9月正式开工建设

落成：2008年10月全面建成

通过国家验收：2009年6月

正式巡天：2012年9月

核心参数

光学设计：独特的“王-苏反射施密特望远镜”系统，横卧于南北方向的中星仪式结构

等效通光口径：3.6米——4.9米（随观测天区变化）

视场：5度（大口径与大视场兼备，全球唯一）

主要结构

Ma（反射施密特改正镜）：由24块六角形子镜拼接而成，尺寸5.72米×4.4米

Mb（球面主镜）：由37块六角形子镜拼接而成，尺寸6.67米×6.05米

焦面与光纤：焦面直径1.75米，配备4000根光纤，可同时观测多达4000个天体的光谱；设备正在迭代升级，远期规划将扩容至10000根以上。

关键创新技术：在国际上首次实现薄镜面与拼接镜面相结合的主动光学技术，以及并行可控式光纤定位技术

科学成就（截至当前）

数据量：累计发布光谱数已超过2800万条（最新3000万条），位居世界第一

科学产出：构建了全球最大的天体光谱数据库，推动我国在银河系结构与演化等领域走到国际前沿

数据来源：结合《中国大百科全书》（第三版网络版）及崔向群院士、苏定强院士的相关论述

长得不一样，是因为干的事不一样

要回答这个问题，首先要从郭守敬望远镜的任务说起。

传统光学望远镜的主要任务是“看”：盯住一颗星、一个星系，仔细研究它的细节。它们不需要同时看很多目标，所以建造时需要考虑的问题是：怎么让望远镜看得够深够远。

郭守敬望远镜则不同。它要做的是“光谱巡天”，大规模测量天体的光谱。光谱就像恒星的“指纹”或“DNA”，包含了温度、化学组成、运动速度等关键信息，是天文学家解码宇宙的核心依据。

但光谱巡天有一个硬性要求：既要看得深（能捕捉暗弱天体的光），又要看得广（一次覆盖尽可能多的目标）。

这就引出了天文学界中的百年难题。

百年难题：大口径与大视场不可兼得

传统光学望远镜普遍面临着“巨镜小视场”的困境：主镜口径越大，汇集光线的能力越强，能看见更暗、更远的天体，但能看到的天空范围（视场）反而越窄。反之，若要扩大视场，口径又不得不做得很小。小口径望远镜虽然视场宽广，却因集光能力不足，无法捕捉暗弱天体的光谱信息，难以满足深空普查与精细研究的需求。

大口径与大视场，鱼和熊掌不可兼得。这对矛盾延续了上百年，没有一台望远镜能把两者同时做到极致。

科学家们曾寄希望于一种光学设计方案——施密特系统。这一光学结构的核心优势，正源于球面的几何本性：

球面上任意一点的法线都指向球心，这意味着球面不存在“唯一主光轴”，以球心为顶点的任意一条轴线，都可以作为这面镜子的等效光轴，镜面上所有位置的光学特性完全等价，不会产生传统非球面镜的轴外像差，仅需校正统一的球差即可。这是天生适配大视场巡天的理想光学方案，堪称天然的“大视场之王”。

但施密特系统的致命问题是：口径一旦做大，不仅校正球差的透射改正镜玻璃难以制造，而且还会面临镜筒极长、机架极高、工程极难、造价极高等问题。不管是传统的透射式施密特，还是后来出现的反射式施密特，在向几米级大口径推进时都会遇到同样的瓶颈。

想要同时实现大口径和大视场，必须找到一种全新的设计路径。

难题怎么解决？斜着不动，一面镜子就够了

郭守敬望远镜的解决方案，源于王绶琯院士和苏定强院士原创的“王-苏主动反射施密特光学系统”。

“王-苏反射施密特系统”的核心思想形成于20世纪90年代初。1994年，王绶琯和苏定强正式提出郭守敬望远镜的初步方案，可以用一句话概括：整个望远镜机身不动，只靠一面会变形的镜子来追踪星星。

整个望远镜由两部分组成：

包括主镜（Mb）和焦面的望远镜本体——牢牢固定在地面上，始终朝向子午线（南北方向的经线）方向，纹丝不动。像一个坚守岗位的哨兵，稳稳扎根于地面，以极致的结构稳定性，为大口径巡天筑牢“看得清”的坚实基础。

改正镜（Ma）——安装在望远镜“底”端，真正精准捕捉星空的，正是这面灵巧的镜子，就像哨兵牵着的机敏军犬，警戒周边。它具备方位角左右旋转、高度角大幅后仰的超强调节能力，但实际观测中却只需小范围转动、微调姿态，就能轻松地把不同位置的星光“抓”过来，反射给主镜。但光靠转动还不够，不同方向的星光入射角度不同，如果镜面形状不变，反射到主镜的光线就会出现偏差。所以改正镜不仅要会“转”，还要会“变形”。

不少天文爱好者好奇：郭守敬望远镜庞大的身躯几乎纹丝不动，既没有普通望远镜那样灵活的旋转叉臂，也没有像射电望远镜那样随时可转向的基座，它究竟如何能精准瞄准全天、宇宙深处的星星？又怎样完成对北极星下方这片“角度刁钻”天区的观测？

答案恰恰是这台“斜着望天”的神奇望远镜最精妙的所在，也是郭守敬望远镜与众不同的核心奥秘。

地球自西向东自转，天上的星星会绕着北极星附近的北天轴，沿着“周日运动”轨迹缓缓划过天顶。比如，北极星下方的天体并不会一直停留在正北，而是会随着天球的周日运动，逆时针“画着圈”，慢慢转升到郭守敬望远镜的观测窗口内。郭守敬望远镜不需要把机身扭向正北、也不用低头去“够”北极星下方，只需要“稳坐钓鱼台”，等天体进入子午线±22.5°的观测带，改正镜轻轻地“一偏、二变形”，就能稳稳接住光线。即便是靠近北天极的北极星，改正镜也只需适度后仰，就能将其光线反射至主镜，无需大幅调整姿态。

它不追着星星跑，而是静静等星星走进它的视野，再用会变形的镜子把光“请”进来。就像军舰上先进的垂直发射系统，不用整体转动沉重的发射架，只靠导弹自身的姿态调整就能实现全角度打击。郭守敬望远镜的设计与垂发系统正有“异曲同工之妙”，本体巍然不动，仅靠一块镜面，就能精准和灵巧地完成整体观测指向的变化。

这种方式，既解决了庞大机身无法灵活转动的难题，也完美覆盖了包括北极星下方在内的北半球广阔天区，实现了“一半不动、一半灵动”的顶级设计。

但要让这面“会变形的镜子”真正工作，需要几项世界首创的核心技术。接下来，就来看看它们分别是什么。

三项世界首创

第一项：主动光学——镜面可以实时变形。

传统的望远镜，镜面形状是固定的。而郭守敬望远镜的改正镜在跟踪星星的过程中会实时改变自身的曲面形状。镜面可以像波浪一样连续、自由地变形，实时适配不同角度的入射光线，保证成像始终清晰锐利。镜面变形控制精度可以达到20纳米级别。

它不是被动维持稳定，而是主动求变。这是世界首创，是真正“活着”的光学系统。这也是“王-苏系统”最核心的独创之处。

这项技术的精度有多高？镜面变形控制可以达到20纳米级别。

主动光学这一概念由苏定强院士在1986年美国国际会议上首次提出，被评为会议亮点。该思想首先被应用于郭守敬望远镜，同时也为FAST的主动反射面技术提供了重要的思想源头。中国两个世界级的重大科技基础设施，都源于同一个原创思想。

第二项：拼接镜面——用多块小镜子拼成一面大镜子。

主镜和改正镜都不是一整块玻璃磨出来的，而是用多块小镜子拼起来的。郭守敬望远镜是人类第一台、也是世界上唯一的一台望远镜中两块大镜面都采用主动拼接镜面技术的大口径望远镜。

这项自主创新的起点，是“钱不够”。

巨型整块光学玻璃难以制造，成本也极其高昂。1996年7月：项目作为国家重大科学工程正式启动。但是，项目初期经费只有2亿多元，如果直接购买一整块6.5米的主镜和一块5米的改正镜，光镜片费用就接近总预算。于是团队采用拼接技术，用多块小镜子拼成一面大镜子，不仅绕开了“整块大口径镜片无法制造”的工程瓶颈，还大幅降低了成本。

主镜由37块六角形子镜拼接而成，改正镜由24块子镜拼接而成。需要特别指出，更关键的是，改正镜的每块子镜背后都安装了独立的促动器，不仅能够独立变形、独立控制，而且可通过总体协同让整个镜面变得更“聪明”。在整块单镜造价高昂的前提下，拼接方案用更少的钱，做出了比整块镜面更强大的性能，也为未来更大口径望远镜的发展奠定了基础。

笔者与改正镜的合影（图片来源：李国平）

第三项：4000根光纤同时抓取星光。

镜子接住了光，还要把光“抓住”并记录下来。

郭守敬望远镜的焦面上，排列着4000根光纤（未来还可继续扩展），每一根都能在微米级的精度下独立调整姿态。这套全球领先的光纤定位系统可同时精准锁定数千个甚至上万个天体，能一次拍下数千张“光谱快照”，将每一个天体的温度、成分、运动速度等信息全部打包带回。

光是“抓住”光线还不够，还要能分析和记录光线携带的信息。郭守敬望远镜拥有16台高精度光谱仪，这是世界上最大的光谱仪集群。它的核心威力指标——集光面积×视场面积×光纤数——长期稳居世界第一，观测效率是普通望远镜的上百倍。

如果把郭守敬望远镜比作一艘巡天“天文航母”，那4000根光纤就是它甲板上的舰载战斗机群，而16台高精度光谱仪就像航母编队中的重型鱼雷，与光纤战斗机群协同出击，形成无往不胜的“巡天战斗群”

会变形的镜子 + 拼接的镜面 + 4000根光纤，三项技术合在一起，让郭守敬望远镜成为人类历史上第一台、也是目前唯一一台同时拥有“大口径”和“大视场”的光谱巡天望远镜。

它到底有多强？

郭守敬望远镜的科学目标既清晰又宏大：开展世界最大规模的天体光谱巡天，解码银河系结构、起源与演化。

历经一期、二期、三期迭代升级，它交出了一份震撼世界的成绩单：

累计获取超过3000万条高质量天体光谱，建成全球最大的光谱数据库；

突破性发现宁静态中子星，改写人类对致密天体的认知；

发现大批超高速星、特殊变星、罕见双星系统，为恒星演化研究提供关键样本；

精确绘制银河系三维地图，测量银河系质量与边界，在银河系研究领域占据国际主导地位；

科学产出稳居全球6米级以上望远镜前三，大量成果登上《自然》《科学》等顶级期刊。

截至2024年底，发表SCI论文1836篇，被引20885次；其中《自然》6篇、《科学》1篇、《自然》子刊17篇。国际天文界公认，郭守敬望远镜开辟了大规模光谱巡天的新时代，引领了全球光谱巡天浪潮。

国际同行评价它是“世界上独一无二、前无古人、暂无来者的全新类型望远镜”，而它早已不只是一台望远镜，而是人类探索银河系演化、宇宙结构、天体物理的核心利器。

望远镜背后的三代中国天文学家

这台望远镜最终以我国元代天文学家郭守敬冠名。郭守敬是古代天文仪器制造的巨匠，他改进简仪、创制多款精密观天仪器，主持过河南登封、北海等多地高精度天文观测，为华夏天文留下不朽遗产。以他命名，既是对中华优秀科学家的致敬与纪念，也彰显这台大国重器完全由中国自主原创，凝聚着当代中国天文学家的智慧与创新。

为这台望远镜指明战略方向的，是王绶琯院士。20世纪80年代末至90年代，国际上掀起8-10米级大口径望远镜的竞赛热潮。王绶琯没有选择跟跑，而是为中国天文制定了一条“错开赛道”的战略：不跟跑国外、不重复模仿、坚决错开赛道，把核心目标锁定在“光谱巡天”这一国际弱项领域。当时国际上已有数百亿天体的亮度与方位数据，光谱数据却仅有几十万条。搭建一座覆盖千万级天体的“宇宙DNA库”，是天文学界梦寐以求的终极目标，更是中国天文实现“弯道超车”的唯一突破口。正是这一高瞻远瞩的建议，让郭守敬望远镜从诞生之初就走上了独一无二的创新道路，成为世界光谱巡天的领跑者。

为这台望远镜提供核心光学方案的，是苏定强院士。他提出的“主动变形镜”概念，区别于常规望远镜的“固定面形镜面”，它能实时、主动变形为观测所需曲面，是一台“活”的智能光学系统，从原理上解决了大口径与大视场的矛盾。王绶琯和苏定强的合作，被形容为一场原理和技术双重创新的“双打”比赛，一个指明方向，一个给出方案，配合得天衣无缝。

把两位院士的设想一步步变成现实的，是总工程师崔向群院士。1993年，她的导师苏定强院士写信，邀请她回国参与望远镜建设项目。她放弃欧洲南方天文台的极力挽留和国外企业的高薪邀请，毅然回国扛起重任，带领团队历经十余载攻坚克难，用智慧与汗水攻克主动光学等核心技术，最终铸就了这台世界光谱获取率最高的“天文航母”，让中国大望远镜技术彻底跻身世界前沿。

三代中国天文学家，共同完成了这场从“跟跑”到“领跑”的跨越。

2007 年，LAMOST系统最初的几位设计师，左起为：王亚男研究员，苏定强院士，王绶琯院士，崔向群院士（注：缺褚耀泉教授）（图片来源：中国国国家天文 何勃亮 摄）

结语

郭守敬望远镜的样子，不是设计出来的，是科学逼出来的、创新长出来的。

它斜指天空的姿态，是中国天文从跟跑到领跑的宣言。

它不动而灵动、沉稳而雄壮的身躯，是王绶琯、苏定强、崔向群三代科学家智慧的结晶。

下次见到这支“巨型钢笔”，请记住：

它不是在“看星星”，而是在为人类绘制宇宙与银河系的精细天图。

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