作者：吴学兵、刘博洋（分别系北京大学物理学院天文学系教授，中国空间站工程巡天望远镜北京大学科学中心主任；成长型通用光学望远镜EAST筹备委员会副主任）
2017年8月，天文学界首次探测到两个中子星并合产生的引力波信号GW170817，多个口径达到8～10米的大型地基光学望远镜在很短时间内锁定这一目标，快速测得其光学余辉的光谱信息，确认了这场宏大的星际碰撞发生在大约1.3亿光年之外。
可以说，如果没有这些观天“巨眼”的协同观测，科学界对这次重大科技事件的认识将远不如现在这般清晰。这一幕让无数人意识到：想要“盯紧”遥远宇宙中那些最宝贵瞬间，离不开大口径光学望远镜的强大“眼力”。
当前，光学望远镜正在迈向8米、10米乃至30米级，但中国在这个领域却尚存空白。如果我们不迅速填补这个空白，将会与许多重大科学发现擦肩而过。
天文望远镜：人类认识宇宙的魔镜
1609年，伽利略用一台简陋的折射望远镜观测到木星的四颗卫星时，他恐怕想不到，这次“偷看”宇宙的举动，会给科学带来划时代的变化。在比伽利略此举更早的70年前，哥白尼就大胆提出“日心说”，但当时多数人仍深信地球是宇宙中心，坚守“天空至高无瑕”的传统观念。然而，经望远镜放大后的星空展现出截然相反的景象：月面坑坑洼洼，木星周围竟有四颗卫星绕转——这是何等离经叛道！伽利略的观测，为哥白尼“日心说”模型提供了强有力的佐证，也由此点燃了近代科学革命的燎原之火。
此后几百年间，天文望远镜不断加速进化，继续深化拓展人类对宇宙的基础认识，尤其是20世纪以来一系列发现，构成了当下人类对宇宙认识的基石。
EAST望远镜本体示意图。 作者供图
20世纪初，美国天文学家埃德温·哈勃借助2.5米口径的胡克望远镜，精确测得仙女座大星云的遥远距离，由此以实测证据证实了宇宙并非仅有银河系一个星系，还有无数其他独立星系。之后，他又基于星系的谱线红移观测推断出“宇宙正在膨胀”，从而拉开现代宇宙学的序幕。1948年落成的5米口径帕洛马天文台海尔望远镜，再次刷新了观测深度，帮助天文学家发现了类星体等前所未见的高能天体，让人类对黑洞的理解更进一步。到了20世纪七八十年代，多台2～4米级望远镜的高分辨率光谱数据，则让美国天文学家薇拉·鲁宾等人发现星系旋转曲线的异常，推知有90%的质量是我们看不见的暗物质；到1998年前后，包含10米级望远镜在内的多台大型光学望远镜针对遥远超新星的观测显示，宇宙竟在加速膨胀——这一发现揭示了暗能量的存在，为探索更深层次的新物理理论打开了大门。
值得注意的是，从20世纪90年代开始，世界各国迎来了8～10米光学望远镜的建设浪潮。在夏威夷莫纳克亚山上，美国竖起两架10米口径的凯克望远镜，日本打造了8.2米昴星团望远镜；欧洲南方天文台在智利建成四台8.2米的甚大望远镜；西班牙则拥有10.4米口径的加那利大型望远镜。这些“巨眼”让人类得以窥探星际气体云中星系与恒星诞生的壮丽场景，捕捉太阳系外行星的微弱光芒并分析其大气组分，以寻觅未来人类的“第二个地球”，还为科学家在引力波事件电磁对应体观测中提供了至关重要的后续证据。
当下，3大30米级巨型光学望远镜工程——欧洲极大望远镜、美国的30米望远镜和巨麦哲伦望远镜，正蓄势待发，将深空探索推向新高度。其中尤以口径39米的欧洲极大望远镜进展最快：目前整体建设进度已过半，望远镜圆顶安装完成，主镜的798块子镜已全部制造完毕，正在抛光、测试和运抵现场。欧美在这一领域的进展揭示，大型地基光学天文望远镜领域，仍然是顶尖科技强国群雄逐鹿的科学高地。
大型通用光学望远镜：我国天文学的短板
在世界天文学发展历程中，我们常听到：“谁掌握大口径望远镜的观测权，谁就能在天文学前沿抢占先机。”近20年来，我国在天文望远镜领域发展迅速，已拥有500米口径射电望远镜FAST、高海拔宇宙线观测站LHAASO，以及慧眼X射线卫星HXMT、爱因斯坦探针卫星EP等尖端设备。但在光学望远镜领域，我国最大的通用光学望远镜口径仍停留在2~4米级别，与欧美日等国已运行20多年的8米、10米望远镜差距甚远。
这并非只是口径数字上的落后，它直接影响科学发现的速度与广度。例如，FAST探测到快速射电暴（FRB）这样的神秘天体时，需要向国外10米光学望远镜申请观测时段以获取光谱信息，运气不佳时只能“排队等待”，毫无主动权；青海冷湖2.5米口径的墨子巡天望远镜WFST或在轨的爱因斯坦探针卫星EP，发现许多难得一见的“暂现源”，想要确认其物理机制，也不得不“求助”国外大型光学望远镜做后随光谱观测。我国大规模空间观测即将上马——被称为“中国哈勃”的中国空间站2米口径巡天空间望远镜CSST，将对17500平方度天区进行多色测光巡天，势必会产生海量奇特天体的候选体。然而，我国如若没有自己的8～10米级望远镜做后随光谱观测确认，这些发现机会极有可能在数据公开后被他国科学家快速“截和”，从而让我国科学家错失无数本属于自己的宝贵发现。
更为关键的是，我国若想在今后建设20米、30米级的地面光学望远镜，或6米到10米口径的空间拼接望远镜，就必须先在地面8米级望远镜建设上取得技术与工程的经验累积。只有真正拥有并运营一台8米级以上的光学望远镜，我们才能在更大更先进的望远镜研发中占据主动。
从拼接镜片的研磨、主动光学系统的调控到仪器系统的集成与维护，大口径望远镜本身就是一项大型工程集群，需要整合光学、电子、材料、机械、信息等多学科前沿成果，是对高端制造业、光学工程、探测技术、数据处理能力的一次重大考验与机遇。建设这种大型先进装置，能够带动多领域“卡脖子”关键技术的突破，将对我国整体工业与基础研究水平的提升带来深远影响。
EAST望远镜：中国的“东方之眼”计划
为填补这一空白，北京大学牵头在2022年提出了以“多元化科技投入”方式，建设8米口径拼接镜面通用光学望远镜的计划，将其命名为“EAST”（Expandable Aperture Segmented Telescope），寓意为建在世界东方、可不断扩展口径的“东方之眼”。
工程规划分为两步走：先在2028年前完成约6米拼接镜面，随后在2030年前扩增到8米通光口径。整个望远镜将设置多种观测模式，涵盖可见光和近红外波段，配置丰富的焦面仪器系统，为多样化天文观测研究提供坚实平台。
EAST望远镜包括望远镜本体、圆顶系统和仪器系统。本体建设包括整个望远镜光学系统（主镜系统、主动光学系统、副镜系统）和控制系统等。主镜系统采用1.44米六角形子镜（拟采用微晶玻璃材料）拼接，第一期建成机架、圆顶，主镜由中心18块子镜拼接，镜面尺寸约6米（5.76×6.24米），通光口径为5.5米，副镜为口径1.2米的凸面镜。第二期在外围再加上18块子镜（总共达36块），主镜镜面尺寸约8米（7.92×8.73米），通光口径为7.8米。光学系统焦点包括卡氏焦点和耐氏焦点（预留主焦点）。整个望远镜采用地平式机架，首期建设时机架系统和驱动系统按8米望远镜配置，留有足够扩展空间。圆顶采用平开式柱形圆顶，四周可开窗通风，直径约30米，高度约28米。完全建成后，EAST将成为与国外8～10米级望远镜具有同样先进水平的通用型光学望远镜，为中国天文学家提供多样化的观测利器。
EAST项目拟落户青海省海西州冷湖镇赛什腾山，海拔约4300米，天光背景暗、晴夜时间比例超过70%，大气视宁度中位值仅0.75角秒，综合指标达到国际一流水准。当地政府也通过出台相关法令，强化保护天文观测环境，为项目基础设施与后勤配套提供了有力支持。2023年4月9日，“成长型通用光学望远镜项目论证会”在北京大学举行，多位院士专家达成共识：EAST的建设具有重大而紧迫的必要性，技术路径清晰可行。随后，北京大学与青海省海西州人民政府、西华师范大学等相继签署合作协议，为后续项目落地、经费筹集、工程设计等环节奠定了基础。目前，EAST的相关工作都在紧锣密鼓地进行中。
EAST不仅能使我们探测宇宙时看得更远更清楚，它也将成为一座“孵化器”，培养新一代天文学家、光学工程师，带动精密机械、先进材料及电子信息领域的深度协作。这台“东方之眼”也将与国际上的8～10米级望远镜平起平坐，甚至进一步协同即将问世的30米级巨型望远镜，共同揭秘宇宙未知。
如果说天文学是人类仰望星空的永恒初心，那么EAST就是我们在这一初心上迈出的实质一步。或许在不远的将来，我国科学家凭借EAST的高精度观测，能为全球天文界送上更多突破性的惊喜时刻。
《光明日报》（2025年02月27日 16版）
[ 责编：王文韬 ] |
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