太陽(yáng)系藝術(shù)構(gòu)想圖。
暗物質(zhì)和暗能量,被科學(xué)家比作“籠罩在21世紀(jì)物理學(xué)天空中的兩朵烏云”。暗物質(zhì)既有“穿墻術(shù)”又有“隱身術(shù)”,人類不僅肉眼看不到,甚至使用天文望遠(yuǎn)鏡和電磁學(xué)手段觀測(cè)都無(wú)法捕捉到。為了探究它們,需要借助更先進(jìn)的觀測(cè)設(shè)備和更精密的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。
寬視場(chǎng)巡天望遠(yuǎn)鏡(MUST)項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生。日前,“第五代寬視場(chǎng)光譜巡天望遠(yuǎn)鏡關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)驗(yàn)證與研制”項(xiàng)目啟動(dòng)暨實(shí)施方案論證會(huì)在江蘇江陰召開。清華大學(xué)牽頭聯(lián)合國(guó)內(nèi)外頂尖天文單位,將部署國(guó)際首臺(tái)新一代光譜巡天望遠(yuǎn)鏡。
那么,MUST究竟具有怎樣的配置?與國(guó)內(nèi)外其他性能優(yōu)越的望遠(yuǎn)鏡相比,有何特點(diǎn)?它將如何觀測(cè)暗物質(zhì),解答暗物質(zhì)之謎?
在銀河系“邊疆”“考古”
業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為,目前宇宙學(xué)的發(fā)現(xiàn)和未來(lái)對(duì)暗能量、暗物質(zhì)的探索,迫切需要第五代寬視場(chǎng)光譜巡天望遠(yuǎn)鏡。
天文學(xué)是一門極度依賴設(shè)備的學(xué)科,望遠(yuǎn)鏡的性能很大程度上決定了科研水平。設(shè)計(jì)完成的MUST光學(xué)口徑達(dá)6.5米,可同時(shí)觀測(cè)至少2萬(wàn)個(gè)天體的中高分辨率光譜,光譜覆蓋在0.36—1.0微米的寬光譜范圍。十年內(nèi),MUST有望在暗能量、暗物質(zhì)、引力波宇宙學(xué)和星系形成等前沿領(lǐng)域取得重大的基礎(chǔ)性、原創(chuàng)性突破。
MUST項(xiàng)目經(jīng)理、清華大學(xué)天文系副主任蔡崢接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)介紹,在銀河系內(nèi)和鄰域宇宙中,MUST進(jìn)行的恒星光譜巡天將幫助人們?cè)阢y河系的“邊疆”開展“考古”研究,揭示銀河系恒星的形成歷史,并對(duì)本星系群進(jìn)行更細(xì)致入微的“人口普查”。
具體而言,MUST的核心科學(xué)目標(biāo)是獲取更精確的宇宙學(xué)模型,進(jìn)而探索暗能量的演化和暗物質(zhì)的本質(zhì)。它將開展高紅移大尺度結(jié)構(gòu)宇宙學(xué)巡天,更好地探索暗能量的起源和演化、宇宙暴漲時(shí)代,并探秘中微子質(zhì)量。同時(shí),MUST也將利用星系巡天,更好地刻畫星系—暗物質(zhì)暈的物理關(guān)聯(lián),并通過不同觀測(cè)探針探索暗物質(zhì)本質(zhì)。MUST還將開展前所未有的大規(guī)模星系與黑洞巡天,幫助更好地理解不同環(huán)境下的星系形成、星系—超大質(zhì)量黑洞的共同演化,以及獲取宇宙生態(tài)系統(tǒng)的物理圖像。
蔡崢說,相比國(guó)內(nèi)外已建成的望遠(yuǎn)鏡,MUST在暗物質(zhì)研究上具有大口徑、大視場(chǎng)、高光譜分辨率和高效率的特點(diǎn),其作為第五代光譜巡天望遠(yuǎn)鏡能同時(shí)觀測(cè)更多天體,提高觀測(cè)效率和科學(xué)產(chǎn)出。
“MUST建成后,會(huì)成為中型地基望遠(yuǎn)鏡最后一塊尚未完成的拼圖。相比目前世界上最高性能望遠(yuǎn)鏡,其巡天綜合能力將提高10倍以上,有望取得國(guó)際一流成果。”蔡崢表示。
以新維度刻畫動(dòng)態(tài)宇宙
MUST的光學(xué)系統(tǒng)具有優(yōu)越的成像質(zhì)量,猶如明亮的“大眼睛”探測(cè)深空。它將如何工作?
MUST項(xiàng)目科學(xué)家黃崧介紹,MUST將通過極大規(guī)模的星系和類星體紅移巡天,首次在宇宙學(xué)尺度上測(cè)量宇宙高紅移的星系光譜,得到宇宙早期的三維結(jié)構(gòu)。
此外,它還將開展小尺度、靈活的光譜巡天,獲取更精確的星系—暗物質(zhì)暈物理關(guān)聯(lián)模型、提高近鄰宇宙小尺度結(jié)構(gòu)對(duì)暗物質(zhì)本質(zhì)的限制、為超新星宇宙學(xué)和引力透鏡宇宙學(xué)提供高精度紅移下的數(shù)據(jù)支持、探索包括本地速度巡天在內(nèi)的新型宇宙學(xué)限制手段,更好地實(shí)現(xiàn)第五代宇宙學(xué)光譜巡天望遠(yuǎn)鏡的使命。
性能優(yōu)異的MUST還將支撐更豐富、靈活的科學(xué)探索,如推動(dòng)星系形成與演化的觀測(cè)研究,構(gòu)建更精確的銀河系結(jié)構(gòu)與演化模型。此外,它還可協(xié)助時(shí)域天文學(xué),開啟光譜時(shí)域這一新的觀測(cè)參數(shù)空間,發(fā)現(xiàn)未知的新物理領(lǐng)域。
“MUST是一個(gè)面向國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略需求、符合第五代宇宙學(xué)光譜巡天要求、有望在一系列重大關(guān)鍵科學(xué)問題上產(chǎn)生突破性成果,并且能系統(tǒng)持續(xù)開展戰(zhàn)略性、前瞻性和綜合性研究的大科學(xué)裝置與平臺(tái),將力爭(zhēng)開展首個(gè)大規(guī)模時(shí)域光譜巡天。這不僅可以在新維度上刻畫動(dòng)態(tài)宇宙,也將增強(qiáng)與其他多形式深空探測(cè)項(xiàng)目的協(xié)同效應(yīng)。”MUST項(xiàng)目機(jī)械系統(tǒng)負(fù)責(zé)人郭利泉介紹。
記者了解到,MUST之所以能有效開展第五階段宇宙學(xué)光譜巡天,是因?yàn)檠芯咳藛T突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)難題。郭利泉介紹,研究人員通過對(duì)光譜儀進(jìn)行多通道設(shè)計(jì),解決寬波段覆蓋、高能量利用率、中高光譜分辨率之間的矛盾。同時(shí),采用分色鏡將波段分割成多個(gè)通道,每個(gè)通道獨(dú)立設(shè)計(jì)色散元件、光譜成像和光電探測(cè)器。色散元件擬選用最新的透射式光柵或離子束刻蝕光柵,并根據(jù)每個(gè)通道的閃耀波長(zhǎng)和光譜分辨率要求進(jìn)行定制設(shè)計(jì),從而在緊湊的空間結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)最高光柵衍射效率。項(xiàng)目整體集成化設(shè)計(jì),解決了高海拔地區(qū)系統(tǒng)裝調(diào)測(cè)試難題。
預(yù)計(jì)2030年實(shí)現(xiàn)首光
“預(yù)計(jì)到2030年,MUST將實(shí)現(xiàn)首光。”清華大學(xué)精密儀器系激光與光子技術(shù)研究所所長(zhǎng)、MUST項(xiàng)目總工程師黃磊說,“期待它在宇宙學(xué)研究和暗物質(zhì)、暗能量的觀測(cè)方面取得重大進(jìn)展。”
黃磊分析,MUST兼具多目標(biāo)光譜和成像光譜兩種功能,是世界最大光譜巡天望遠(yuǎn)鏡,其強(qiáng)大的光譜獲取能力將對(duì)宇宙學(xué)基本參數(shù)、宇宙原初暴漲、暗物質(zhì)本質(zhì)、暗能量演化、時(shí)域天文學(xué)(如引力波電磁對(duì)應(yīng)體)、星系形成、系外行星和地外生命等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。這些科學(xué)問題都是目前天文學(xué)和物理學(xué)的重大問題,也是國(guó)際天文界爭(zhēng)先解決、而且有可能在未來(lái)10—20年解決的問題。
此外,通過MUST對(duì)銀河系中恒星的視向速度的光譜測(cè)量,可以提升對(duì)于本地宇宙中暗物質(zhì)分布的測(cè)量精度,也有助于更好理解暗物質(zhì)在小尺度上產(chǎn)生的物理現(xiàn)象。
具體來(lái)說,通過MUST進(jìn)行的銀盤恒星巡天,可以給出太陽(yáng)系附近的銀河系暗物質(zhì)密度和速度分布的高精度測(cè)量結(jié)果。同時(shí),對(duì)位于銀河系邊界的大量銀暈恒星的視向速度巡天可以進(jìn)一步助力測(cè)量銀河系銀暈的形狀,并對(duì)銀河系的總暗物質(zhì)暈質(zhì)量給出更準(zhǔn)確的限制。
黃磊表示,考慮到MUST光譜巡天的靈活性和持久性,它有望成為一個(gè)強(qiáng)大的“暗物質(zhì)天文臺(tái)”,獲得海量暗物質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù),與其他不同類型的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)一起,在未來(lái)20年內(nèi)為解答“究竟什么是暗物質(zhì)”這一問題作出重要貢獻(xiàn)。
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