6月23日，位于智利北部科金博大区的薇拉・鲁宾天文台（Vera C. Rubin Observatory, VRO）正式公布了其首批科学图像。两个月前，随着巨大的圆顶缓缓开启，这座新一代巡天巨眼，便已睁开它前所未有的锐利眼眸凝视深空，正式开启了第四代地面光学巡天观测的新纪元。
封面图：鲁宾天文台牛刀小试，首次公布的“宇宙宝箱”（The Cosmic Treasure Chest）注释版图表。（图源：NSF–DOE Vera C. Rubin Observatory）
巨眼诞生：人类观天的又一利器
鲁宾天文台，原名大型综合巡天望远镜（Large Synoptic Survey Telescope），其核心搭载着人类迄今建造的最大CCD相机——LSST相机。这台庞然大物拥有惊人的32亿像素，其镜头宽度逾1.5米，重达3吨。相机内部集成了189块独立、高灵敏度的科学级CCD传感器，共同构成了扫描宇宙的超级“视网膜”。其像素之高令人咋舌，单张照片的数据量足以填满数百台4K超高清屏幕！
承载这台超级相机的是独特设计的西蒙尼巡天望远镜（Simonyi Survey Telescope）。它采用创新的三面镜光学系统：一块直径8.4 米的主镜，一块史上最大的3.4米凸面副镜，以及一块5米的第三镜（凹面镜）。光线在主镜和副镜之间巧妙反射，最终精准汇聚到 LSST 相机的传感器上。
这架观天利器傲立于智利安第斯山脉的帕琼山（Cerro Pachón）伊尔佩恩峰（El Peñón）顶，海拔 2682 米。这里拥有全球顶级的天文观测条件，年均晴夜数超过300天，大气视宁静度极佳，光污染几近于零。同时，得益于其巨大的口径，鲁宾天文台拥有极强的集光能力以及极高的分辨率，通过对同一片天区反复观测，成千上万张图像的堆叠，我们有望捕捉到宇宙深处极其遥远、古老的成员。
鲁宾天文台的过人之处，不仅在于“看得清”，更在于“看的广”和“看的快”。它的视场直径高达 3.5 度，视场面积达 9.6 平方度。配合精密的快速指向与调焦系统，它能以极高的效率扫描天空，仅需三天就能完成一次对整个可见天区的完整覆盖。
宇宙普查：时空遗珍巡天项目
宇宙并非一幅凝固的油画，而是一部充斥着爆炸、碰撞、诞生与湮灭的宏大动态史诗。鲁宾天文台，正是捕捉这部史诗每一帧精彩瞬间的超级高速摄像机。
根据计划，鲁宾天文台将开展为期十年的“时空遗珍巡天”项目（Legacy Survey of Space and Time，LSST），进行史无前例的动态宇宙普查。在长达十年的任务中，LSST相机将以无与伦比的深度、速度和广度扫描苍穹。
除了探索那些宇宙中的不可见成分，LSST还立志成为一名杰出的宇宙侦探，捕捉宇宙间那些稍纵即逝的“烟火”，比如那些标志着大质量恒星走向生命终点的壮烈爆炸——超新星。将凭借其优异的深度与广度，LSST预计每年捕捉数十万颗超新星。此外，LSST的快速巡天能力，能高效探听引力波的光学“回响”。 根据其因斯坦的广义相对论，当中子星或黑洞并合时，将激发时空的涟漪——引力波，而引力波的产生常伴随短促的伽马射线暴和光学辐射，LSST有望成为地面匹配引力波事件光学对应体的最佳捕手。这种多信使天文学的协同，将共同揭开致密天体并合的神秘面纱，甚至检验引力理论。
野心勃勃的LSST还将深入探秘宇宙演化的宏大叙事，在其为期十年的时空遗珍巡天中，预计拍摄约200亿个星系，追踪其形态与演化。相比其他望远镜，LSST能在大范围视野内同步捕捉数以百计微弱变星的脉动，甚至追踪至银河系的边缘，前所未有地勾勒出银河系的真实形状与精细结构，揭示其形成与演化历史。
志在星辰大海的LSST，同样将着眼于我们的诞生之地，有望成为史上最高效的太阳系“新大陆”发现者，仅仅需3至4晚即可扫描整个南天。凭借其巨大的视场和快速覆盖能力，LSST预计将发现数百万颗未知的小行星、彗星甚至星际访客。这些小天体是太阳系形成初期的化石，蕴藏着太阳系早期演化的密码。然而，这些小行星本身不发光，只能反射微弱的太阳光，在星海中常常难以寻觅。但LSST独特的动态监测能力，能高效追踪这些快速移动的暗影。未来十年，LSST每晚都将筛选数十亿个潜在移动源，包括那些远距离、缓慢移动的，和近距离、快速移动的天体，以识别新的小行星，极大地完善近地小天体（NEOs）编目，为地球预警潜在威胁。LSST甚至有潜力远征太阳系的边疆，探知遥远的柯伊伯带甚至奥尔特云，筛选“第九行星”的候选体。
如今，这架指向深空的巨眼，正蓄势待发，准备为我们揭示一个前所未见的、充满活力与奥秘的动态宇宙。
牛刀小试：LSST宇宙初映像
6月23日， 完成初步测试的LSST，公布了首批科学图像，踏出十年漫漫征途的第一步。从勾勒暗物质的分布网络，到追溯星系结构的宏伟演化；从记录恒星生死的壮丽轮回，到搜寻太阳系内外潜伏的无数小天体，LSST相机每一次快门的开启，都在为人类书写一部前所未有的宇宙动态百科全书。
其中，一张被鲁宾天文台命名为“宇宙宝箱”的超广域深空图像尤为引人瞩目（封面图）。这张图实际上由1185帧曝光图像叠加而成，覆盖天区达14平方度，捕捉到了约1000万个星系目标，向我们展示了一个繁星璀璨、星系密布的壮丽宇宙。图像的核心覆盖了距地球约5500万光年的庞大室女座星系团（Virgo Cluster）。从近处闪耀着蓝光的螺旋星系，到远处密集的红色星系群；从点缀其间、色彩各异（蓝到红）的明亮恒星，到深藏其间的暗黑势力，这幅画面可谓色彩斑澜，细节纷呈，无数宇宙宝藏藏匿其间，等待发掘。
在这片璀璨星河中，LSST首次成功识别出46颗天琴RR型脉动变星。这类恒星乍看之下并不显眼，它们普遍高龄，质量偏低，却以极其稳定的周期性亮度变化而闻名，是天文学家测量宇宙距离的“标准烛光”。它们通常存在于球状星团和星系晕等古老区域，是测绘银河系尺度与形状的宝贵路标。未来十年，鲁宾天文台预计将探测到多达10万颗此类变星，其分布范围可延伸至百万光年之外，助力天文学家精确绘制银河系边缘乃至其巨大的银晕。
更令人惊叹的是，在短短7晚，仅（约）十个小时的观测测试中，LSST就实时追踪到了大量太阳系小天体的踪迹。它不仅确认了（约）1800颗已知小天体的位置，更一举发现了 2104颗全新的太阳系小行星。其中包括7颗具有潜在风险的近地小天体，11颗木星特洛伊族小行星以及9颗海王星外的小天体。要知道，目前全球所有地面和空间天文台每年发现的小行星总数不过 2 万颗。据预估，在未来1～2年内，LSST有望将已知小行星的数目扩展到数百万颗，远超此前所有望远镜记录的总和（约145万颗）。而在接下来的十年巡天中，它将把太阳系已知小天体的数目拓提升至现有水平的数倍。对于可能威胁地球的近地小天体，LSST将提供史上最及时、最强大的预警系统。同时，它也将成为我们搜寻类似奥陌陌（Oumuamua）、鲍里索夫（Borisov）类的星际访客的最佳利器。
与LSST强大的观测能力相匹配的，是前所未有的数据处理挑战。预计其每晚将产生约20TB的数据，并最终构建一个容量高达15PB的庞大星表数据库。仅在运行的第一年内，鲁宾天文台采集的数据量就将超过以往所有光学天文台数据的总和。整个十年巡天将累计约500PB的海量原始图像数据，这相当于数万亿张高分辨率数码照片。最终的数据集将包含数十亿个天体和数万亿次测量，有望构建人类有史以来最详尽、最动态的宇宙天体“户口簿”。
令人期待的是，LSST的大部分数据将定期向全球公开发布。这座独一无二的数据宝库，将在未来数十年内持续赋能天文学家，更将前所未有地为全球公众打开参与前沿天文发现的大门，让每个人都有机会化身宇宙奥秘的探索者，共同开启一个公众科学的新时代。
无尽前沿：未知世界的召唤
除了核心科学目标外，凭借LSST无与伦比的观测深度、广阔的覆盖天区以及高频次的时域监测能力，它注定将成为意外宇宙奇观的猎手，不断开辟未知的疆域，包括比超新星更剧烈、更罕见的极端瞬变现象。
在系外行星领域，LSST也将大放异彩。它将通过微引力透镜效应这一独特方法，探测到银河系内大量难以通过凌星法或视向速度法挖掘的系外行星，特别是那些不依附于恒星的星际流浪行星（Free floaters），以及轨道极其遥远的冷行星。这些发现将为行星系统的形成与演化提供关键的拼图。
在这场拓展认知边界、探索宇宙新纪元的宏伟征程中，中国自然不会缺席。早在2023年9月，被誉为北天球最强“星空摄像机”的墨子巡天望远镜（Wide Field Survey Telescope, WFST）就已率先在海拔4200米的青海省海西州茫崖市冷湖镇赛什腾山扬帆启航。尽管其主镜口径为2.5米，但其高达6.5平方度的巨大有效视场，使其成为当前北半球光学波段时域巡天能力最强的望远镜。它能够以每三晚巡测整个北天球一次的速度，高效绘制北天星图。WFST可与LSST形成强大的互补，前者专注于北天，后者主力覆盖南天。两者协同，将有望实现全天区的时域动态监测。
未来，墨子巡天望远镜（WFST）、薇拉·鲁宾天文台（LSST）以及即将发射升空的中国空间站工程巡天望远镜（China Space Station Telescope, CSST），这三架各具特色的强大巡天设备将优势互补，共同破译深埋于浩瀚黑暗中的宇宙密码。
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（北京天文馆）
作者：北京市科学技术研究院
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