核心要点
美国未来十年的天体物理规划将“宇宙生态系统”作为需要解决的重要问题之一，可助人类揭开星系的形成之谜。
正在建设中的宽视场巡天望远镜MUST拥有兼具大口径、大视场的优势，对人类研究暗物质的分布、了解暗能量的起源和本质有重要作用。
天文学或许没什么“用处”，但其鼓励了人们不断探索，激发人类无穷想象力和好奇心是最大的“用”。其实，Wi-Fi、手机里的数码相机、CCD等发明可以说都是源于天文学的进展。
10月19日，第六届“科学探索奖”颁奖典礼在上海举行，49位青年科学家获奖。其中，清华大学天文系蔡峥因“探索利用全波段观测，深入理解气体如何驱动星系演化”而获奖。
“宇宙生态系统”为什么被作为需要解决的重要问题之一？为什么要建设挑战性极强的宽视场巡天望远镜？对此，腾讯新闻《一起来唠科》对话清华大学天文系副教授、副系主任蔡峥，围绕天文观测的未来和星系演化的探索等问题展开对话。
一、研究宇宙生态系统是为了揭开星系的形成之谜，星系的形成是基因和环境共同决定的。
问：美国的未来十年天体物理规划中，为什么将“宇宙生态系统”（cosmic ecosystem）作为需要解决的重要问题之一，您怎么看？
蔡峥（清华大学天文系副教授、副系主任）：这个问题挺好的。一方面是天文有一些非常重大的问题，比如能否实现哆A梦的任意门、能否时空穿梭、能否有新物理等等。另一方面是十年内能实现什么。
这两者是比较兼顾的，其凝练了三大方向：一个是地球系外生命，这是美国认为十年之内他们能够找到的一个问题；第二个是新信使新物理（编者注：新信使：即充分利用引力波、粒子和全波段电磁波的天空动态监测，以及从紫外线和光学到微波的广域巡天等新观测工具和手段，探测宇宙中若干过程，并探讨暗物质、暗能量和宇宙膨胀的性质），美国做了一个很大的巡天望远镜，它开启了时域巡天的新参数空间，每两分钟能把全天扫一遍，能够观测到新的时变天体。宇宙里未知的现象太多，只要开启一个新的参数空间，就能取得一大批新发现；第三个就是所谓的宇宙生态系统，它主要解决星系如何形成这个问题。
人类对系外生命的想象。图片来源：电影《E·T》
听起来好像比较复杂，但实际上它和方方面面都有关系。比如我们现在要回答的终极问题——暗物质暗能量的本质。暗物质暗能量是看不见的，我们需要把可见的东西研究透彻，而星系就是我们能看到的宇宙里最主要的天体。星系的形成不但和它自己有关，还与其所处的环境有关。就好比一个人不仅受基因影响，还取决于这个人是否接受了好的教育，比如是否住在一个比较好的学区等等，星系也是一样的。
宇宙里90%可见的重子（编者注：宇宙中的主要物质成分是暗物质和暗能量，其中暗能量占总物质的68%，暗物质占27%，而剩下的能够被直接观测到的“普通物质”只占宇宙中总物质的5%。这些“普通物质”在天文学中被称为重子物质，是由质子、中子等粒子组成的），也就是说可见物质只占宇宙的5%，但这5%中，超过90%是以气体形式出现的，并不是以恒星的形式。我们能看见的星系比较小，但实际星系的外围有巨大的暗物质晕（编者注：大多数的星系都镶嵌在这种暗物质晕当中，星系系统的动力学也主要由暗物质的分布主导。暗物质晕是在银河中心算起的100,000至300,000光年空间内最大的唯一结构，它也是银河系最神秘的部分），其中充满了气体，而气体的总质量是十余倍于恒星的。只有理解气体如何驱动星系形成，才能真正理解星系和暗物质的关系。
宇宙成分的推估中，有证据显示一种暗物质占极大部分，但是至今依然是理论和谜团。图片来源：蔡峥
所以，研究宇宙生态系统的重要性在于：第一，对星系如何形成的问题的探索；第二，要理解暗能量和暗物质，首先必须把重子研究得比较透彻；第三，美国认为他们十年之内能解决“星系周围还有什么”的问题。
问：在理解“星系生态系统”这个命题上，团队目前有哪些进展、挑战和期待？
蔡峥：我们之前做了一系列的工作，是比较有特色的。我们用的这些气体非常稀薄，面亮度非常低（编者注：面亮度（Surface brightness），是指扩展的物体表面一块标准尺寸的亮度。这是一个相关的概念，一个扩展开的天体，像是星系、星团或星云，可以通过测量其总星等、集成星等、集成视星等的整体亮度来导出面亮度），之前是看不见的，但无论从宇宙学数值模拟，还是从间接的证据，都表明这些气体大量存在。我们的贡献主要在于，找到了宇宙里最大最亮的星云——我们找到了一个样本，这个样本不但其星系是发光的，暗物质晕中富含的气体也呈现发光状态，并被我们探测到，所以这个样本的建立很好。
这是第一次能够让人从发射线的角度研究，通过发光的气体，再用成像、光谱等技术，了解气体的性质（如元素丰度、动力学等），从而了解其如何与星系相互作用和影响，这些都是第一次看到。
国际上像瑞士、德国、美国也有做类似研究，但我们在这个领域一直是比较领先的。这个样本的建立，包括研究其中的重子如何内流、外流、“循环内流”（recycling inflow）等等，还是沿着星系生态系统进行。我们在这个小领域和世界最前沿的几个组基本是同等水平。
蔡峥带领的科学团队，通过全波段数据，直接探测到早期宇宙中，星系周围气体进入星系的详细过程。证实了重元素丰度较高的“循环内流”是驱动星系恒星形成的关键，为理解星系“生态系统”及星系演化迈出重要一步。相关研究成果于2023年5月5日在线发表于《科学》杂志。图片来源：清华大学
气体的内流与循环内流和星系形成紧密相关。图片来源：清华大学
二、MUST望远镜因其兼具大口径和大视场优势，将更有助于人类回答天文学的终极问题——暗物质和暗能量的本质。
问：宽视场光谱是未来中型望远镜里唯一一个没有完成的拼图。相较于其他望远镜，MUST（Multiplexed Survey Telescope，宽视场巡天望远镜）有哪些特点和优势？
蔡峥：MUST主要解决了大口径和大视场的矛盾。在光学上“既要又要还要”是很难的，通常口径大，视场角就很小。比如，当相机镜头拍到的物体很大时，视角很难做到很广；当相机镜头为广角时，很难拍到很大的物体。
MUST口径很大，相当于直径6.5米的相机镜头，集光面积很大（编者注：望远镜口径越大，集光力愈强，可以看见星星的数目亦增加）；同时也兼具了大视场，它是广角的，一次曝光的天区可以装30～40个满月，所以它的巡天速度特别快。
MUST概念设计示意图。图片来源：清华大学
这样的中型望远镜，之前只有美国的LSST（编者注：Large Synoptic Survey Telescope，大型综合巡天望远镜，建造于智利帕穹山顶峰，分辨率达到了32亿像素，可以捕捉近40倍满月面积的天区。其中，查尔斯·西蒙尼和比尔·盖茨分别捐赠2000万美金和1000万美金给LSST计划），但是它只成像而没有光谱。这就是为什么我强调MUST既有6米以上的大口径，又有接近10平方度的视场角（视野），再加上光谱是一个空白的参数空间。现在美国、欧洲也想做，但是他们同时在做几台其他类型的大望远镜，还没有精力兼顾。
LSST完工构想图。图片来源：LSST项目官网
我们在2018、2019年看准了这个空白的参数空间，如果做好了就与美国、欧洲是互补的。美欧已经做好的部分，我们不用重复，而是需要一个新的参数空间与他们互补协同往前走，也就是所谓人类命运共同体。
问：建设MUST望远镜有多难？主要的难点是在什么地方？
蔡峥：首先，MUST由于是大口径，所以它的主镜必须是一个单体而不是拼接的。现在全世界都没有用拼接镜做大视场，因为拼接镜的精度是有限的，很难拼得完全像一个整镜一样。就好比一台相机，一个镜头很难用很多镜头来拼接，所以6.5米的整镜是最难的部分之一，包括姿态的控制，镜面起伏的方均根要小于20纳米。当温度发生变化，或者镜面倾斜、人跺跺脚等，都会导致镜面的形变远远大于20纳米。
所以，第一是需要加工出很大的高精度的镜面；第二，在使用过程中，随着温度或重力的变化也能很好地控制它——这是一个反馈控制的问题。
这只是主镜的难点。而副镜是2.4米的非球面凸面，如何加工、检测，都是难题。还有改正镜，如果把MUST的主镜比喻成眼睛的话，改正镜就好比眼镜。这个“眼镜”由五块1.4～1.6米的透镜组成一个透镜组，这也是全世界最大的透镜组。
(a) MUST光学系统草图，其中M1为6.5米主镜、M2为2.4米副镜。(b) WFC（广域照相机）由透镜L1~L5组成。L1的背面(L1-B)、L2的正面(L2-F)、L3的正面(L3-F)、L5的背面(L5-B)为非球面。图片来源：清华大学
所以它处处是难题。到现在我也不确定我们能否一个一个难关地克服，就算是美国也不一定有十足的把握把工程做好。
我觉得这极富挑战性。容易且正确的事，已经有人完成，轮不到我们来；难且错误的事，也不会有人去做。基本现在所有正确的事情都是比较难的。
问：MUST望远镜它在暗物质和暗能量的探索上面会有哪些优势？
蔡峥：MUST因为有大量的光谱，通过测每个星系的红移，就能把两维的成像在宇宙学的巡天变成三维的体，即由两维的面变成三维的体，因为它能够积累数亿个星系的光谱，所以就能告诉我们数亿个星系的三维位置。
它是人类第一次在宇宙学建立的超过亿级的光谱库，也是人类第一次在宇宙学的意义上建立一个三维的巡天。有三维的巡天之后，我们对宇宙膨胀速率就能够有非常高精度的测量，这也可以把暗能量的演化敲定，对理解暗能量的本质是非常有好处的。
暗物质也是通过大量的光谱，把可见物质的星系和不可见物质的暗物质建立特别强的关联。通过可见物质的动力学，把不可见物质更清晰地展现出来，这样对暗物质的本质就会有超过现在很多的认识。
模拟从早期宇宙到今天暗物质结构的形成。图片来源：NASA
问：为什么执着于建设MUST？
蔡峥：人这一辈子是很短的，宇宙有137亿年这么长，它也就一眨眼过来了。百年时光非常短，到我们老的时候回忆青年，就如我们现在回忆自己上幼儿园的时候一样，像一场梦似地就过来了。
可能我们的人生也不一定多么有意义。或许人类努力到最后，随着太阳爆炸，整个太阳系消失，银河系和仙女座星系也会并合，人类不一定能逃出银河系，但我还是希望自己能够对于人类的进步有一点点小贡献。
X射线、红外线和可见光影像合成的多波段开普勒超新星遗迹，SN 1604。图片来源：Wikipedia
很多科学的东西最后都会改变，虽然看似在进步，但到底是不是真进步，有可能还给全人类带沟里去。但是我觉得数据一定是增加的，尤其AI的时代，数据应该积累更多。
如果人类从黑暗的宇宙中能够积累更多的数据，这个数据本身都是有信息、有意义的。而自己能在这个方向做一点点尝试，回想起来会觉得这一辈子没白活。
问：您怎么看待目前我国望远镜的发展现状，有哪些规划是值得期待的？
蔡峥：我觉得我国现在整个空天探测的领域，因为发展起步较晚，设备还是比较欠缺。
现在这个领域还是比较重要的：一方面它能够回答一些宇宙的奥秘，对很多青少年科学素质的培养，包括对未知世界的兴趣都是有好处的；第二，它本身也是国家比较需要的，因为它能带动很多先进光学、精密机械、高精密的深空探测，对我们国家各方面能力的提升都比较重要。
希望我们这个项目能够得到国家更多的关注，在这个基础上，我们能够做更多有意义的全波段的探索。将来不管是探索宇宙，还是咱们国家进行比较有现实意义的深空探测，对于现在航空航天时代来说，都是非常有意义的。
三、天文学真的无用吗？但它激发了人类发明Wi-Fi，同时推动数码相机、智能手机等拍照像素的发展
问：您觉得人工智能的发展会给天文学带来怎样的变革？
蔡峥: 实际我们跟沈向洋院士、戴琼海院士等一直都有比较深度的合作。人工智能在天文中的应用主要在于：让我们的探测极限加深，因为它判断信号、噪声的准确率已经超过了人类。所以它提升了探测的极限，能看见更多的东西。
我希望未来它一定能够比我们更智慧，比我们考虑到的信息更多，能够帮我们回答现在的宇宙学标准模型——基于70%暗能量、25%暗物质和5%可见物质的宇宙学标准模型——到底是不是对的，有没有更好的解。我相信超级智能将来有望帮我们回答这些更深刻的问题，短期内可能是信噪比的提升，长期还是希望它在新物理这条路上帮我们回答一些问题。
问：您觉得天文学是一个有用的学科吗？
蔡峥：它没什么用，但是实际很多学科都“没有什么用”，天文算是没用的学科里消耗资源比较少的，至少没怎么浪费资源，而且关键看怎么定义“有用”。
即使不被陨石撞，人类也许也很难逃出数亿年后，从8光年远之外的一颗恒星，会超新星爆发，尽管这是一亿年之后的事。超新星爆发足以把太阳系行星的大气都剥离走，人类在地球瞎折腾实际是从宇宙的角度，也许都没有什么太大用。
我觉得中国古代有句话说得比较好，“没用”才是“大用”。因为它是一个追求纯粹的升维，向更高更快更强去探索的学科。比如Wi-Fi就是美国人为了探索霍金辐射，在毫米波探测和毫米波发射建立的新技术，而Wi-Fi现在是我们不可或缺的。
约翰·奥苏利文（John O’Sullivan）是一名电力工程师，也是一名射电天文学家。作为霍金辐射的追随者之一，他也加入了探寻射电暴的浩荡大军。由于宇宙中的迷你黑洞距离遥远，信号微弱；加上这些微弱的信号跨过星际穿越尘埃，夹杂在射电噪声中难以辨别。奥苏利文和他的合作者利用离散傅立叶变换的快速算法将信号由时域空间变换到频域空间，从而提取信号的特征频谱。后来，奥苏利文带领团队将该技术进行改进，并巧妙地解决了多路径无线电信号的相互干扰问题。这份新技术后来成了惠及千家万户的无线局域网——Wi-Fi的雏形。他本人也被澳洲媒体称为“Wi-Fi之父”。
资料来源：微信公众号-中科院物理所。图源自网络
还有我们的数码相机、智能手机现在都是几千万像素，我们小时候没有，只有柯达胶卷。像素实际来源于CMOS、CCD芯片，而CCD完全就是因为哈勃望远镜需要更长的积分时间发展出来的技术，CCD效率的突破是由美国的天文学家实现的，如Mike Lesser做了很多先驱工作，他发现了背照式CCD能够大幅提升效率。
CCD传感器的前照式与后照式几何结构。图源自网络
所以，如果没有CCD、没有照片数字化就没有现在的人工智能时代，现在人工智能时代分享了天文发展的一些福利。天文可能“没用”，但在这个意义上，它回答人类基本的问题，而把未知变成已知就是人类之所以成为人类的原因。所以，它对人类的贡献，远远比我们所了解到的大。天文远不是数星星看月亮，我觉得天文最大的用，在于它激发人类最原始，对于未知世界的探索的心，这个是对人类最没用，但也是最大用的一点。
资料来源：
MUST-宽视场巡天望远镜项目.https://must.astro.tsinghua.edu.cn/
美国国家科学院发布天文学和天体物理学十年调查报告. 中国科学院科技战略咨询研究院. http://www.casisd.cn/zkcg/ydkb/kjqykb/2022/202201/202203/t20220314_6390479.html