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    • 清华教授要造世界最大「光谱望远镜」,用 AI 看清宇宙真相

      清华教授要造世界最大「光谱望远镜」,用 AI 看清宇宙真相
      清华教授要造世界最大「光谱望远镜」,用 AI 看清宇宙真相

      一位天文探索者「光年」级的浪漫

      作者 | 靖宇

      从清华大学东南门进入,向东北方向走 10分钟,米黄色的蒙民伟科技大楼紧挨着荷清路,和旁边的教学楼相比,新建的大楼看起来更像科技园区的建筑,临近的大楼依然在施工,不时能见到戴着安全帽的工人。

      六层清华天体物理系的走廊里,经一个学者的指点,我们才在一间藏在深处的办公室里见到蔡峥教授。办公桌靠窗,半拉的窗帘将北京初冬的夕照挡在窗外;靠墙的白板上写满了公式和认不出的数字符号,间或有一张手绘的鬼脸和一句开玩笑似的「我不明白」。

      蔡峥走出办公桌,拉过一把椅子和我们真正的「促膝」对谈,对于这个不到 10 平米、狭长的办公室并不感到局促。「我们目前主要是分析数据,所以目前也不需要那么大的地方。」蔡峥说,等实验室建好,那时候会有足够的地方。

      蔡峥说的实验室是关于他最新的「MUST 光谱巡天望远镜」项目,和「天眼」这样的射电望远镜不同,后者观测的是类似于电视信号的长波,而光谱望远镜观测的是类似人眼接收的可见光一样的短波,「最短比天眼的波长短 10的六次方」。而望远镜的分辨率与波长成正比,这意味即便几十厘米的光谱望远镜,分辨率也会比天眼高很多。

      而蔡峥目前的项目,光谱望远镜的直径是 6.5 米,可以和「天眼」的观测波长互补,对于一个天体不同波长的观测,能够让人们进一步了解这个天体。

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      美国斯隆数字巡天望远镜

      受惠于科学技术的进步,近十年来几乎每个获得诺贝尔奖的天文学发现,从 2011 年的宇宙加速膨胀,2015 年的中微子振荡,2017 年的引力波,到去年超大质量黑洞的发现,都和天文观测设备的进步相关。欧美和日本等发达国家在持续迭代观测设备,中国现在正在迎头赶上,MUST 就是其中一个重要项目。

      「填补了一个空白。」蔡峥说,目前世界上还没有这么大口径的光谱巡天望远镜,中国能做出来就是「世界第一」。

      早蔡峥几百年的天文学家同行们,用肉眼和简单的光学望远镜去探测太阳系内的星体。受技术限制,某些几十年一见的天文学现象出现,如果不巧是阴天,很可能这辈子就错过了。随着技术的发展,新型天文望远镜、A 空间望远镜甚至 AI 技术的发展,都对天文学研究和理论推进产生了重要影响。

      从这个角度来看,蔡峥这一代天文学家要比前辈们幸福太多,因为可以利用现代科技和先进设备,对宇宙的星系和星球进行更精准的观测,同时又可以用计算机技术对海量数据进行快速分析。

      「近十年来的诺贝尔奖,有六个都给了和天文学相关的团队。」蔡峥认为,未来十年乃至几十年,将是天文学发展的黄金时期。

      「上下四方谓之宇,古往今来谓之宙」蔡峥认为《淮南子》中古人对宇宙的定义就是「空间+时间」非常准确。有一句话说「照在我们身上的阳光是 8 分钟的」,说的是太阳发出的光线,要用 8 分 20 秒的时间穿越宇宙空间,进入到地球。某种意义上,天文学家不仅是观测外太空的物理学家,同时也是研究宇宙的「历史学家」。

      那些高深莫测的天文学词汇,听起来和生活毫不沾边,但现实是在这样的天文发现过程中,却会和人类社会在某种程度上产生联系。上世纪 90年代,NASA 为了探测宇宙中的弱信号,发明了 CCD 传感器,它最后催生了数码相机,将人类从「胶片时代」带入到「数字时代」。CCD 进化成 CMOS,进入到现在每个人手机中,将你每一次自拍的光信号转为数字信号。

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      CCD 传感器来自当年的哈勃望远镜项目

      70年代为了探索霍金辐射,发展了一个亚毫米波的接收机,里面就有关键技术应用到了现在最常见的 Wi-Fi 上。」从某种意义上来说,如果没有天文学的探索,现在人们估计很难愉快地用手机发个朋友圈。

      「天文学追求的目标太高了,即便只是『沿途』一些小的技术的转化,都能给人们生活带来巨大改变。」蔡峥说道,MUST 光谱巡天望远镜也是一样,这个项目的成功,在探明暗物质之外,同样有机会给人们留下更多礼物。

      作为光谱望远镜,MUST 有希望为未来光谱仪的小型化作出贡献。「你可以想象,未来每个人手机里都会有一个光谱镜头,可以用来识别假币、检查农药残留,甚至鉴别皮肤癌。」蔡峥说,光谱信息能做得要比这多得多,是「未被发掘的信心金矿」。

      之所以要推进 MUST 光谱巡天望远镜项目,藏着蔡峥的「私心」——搞清楚暗物质和暗能量的本质及其演化。「宇宙中只有 4%是可见的,剩下的不可见的是 26%的暗物质和 69%暗能量。」之所以称之为暗物质,就是因为不可见。

      要完成这些目标,必须「对宇宙更早期的天区进行更大尺度的观测」,而 MUST 光谱望远镜正是为此而生的。而如果能搞清楚暗物质和暗能量的本质,以及其演化过程,或许能帮助人类解开宇宙起源之谜。

      但无论是「天眼」,还是 MUST,天文学研究的是距离地球数亿光年以外的事情。暗物质和暗能量的真相,宇宙「大爆炸」的产生之谜,对于世界上的普罗大众究竟有什么意义?

      「你要说对人们有什么意义,倒也说不上。」蔡峥思考了一会说,「就像不管是日心说,地心说,普通人还是正常的生活。」蔡峥认为,天文学取得的成就,带给人类更多的是认知上的冲击和改变。

      「人之所以成为人,就是要把不明白的事情搞清楚,这是基本需求。」蔡峥说道。

      有了 MUST 的帮助,我们不仅有望将宇宙学距离测量精度提高 1 倍,将宇宙学测量带入「超精确」时代,而且可以帮助目前现存其他类型望远镜发现的天体信息进行补充,进一步确认天体的物理本质。同时,MUST 望远镜本身海量的光谱数据,也将让我们对从行星到星系的物理有全新的认知。

      「我们有能力做成 MUST 项目。这些来自宇宙深处的迷人发现,将会让中国人民感受到宇宙的魅力与激动人心。」蔡峥自信地说道。

      在由OPPO 独家冠名赞助的极客公园创新大会 2022 上,清华大学天文系副教授蔡峥,和抖音科技创作者 西安航空学院讲师「苟胜老师」,一起探讨了蔡峥的 MUST 宽视场巡天望远镜的潜力,以及天文学未来的「星辰大海」。

      以下为极客公园创新大会2022现场实录:

      01

      现场实录环节

      什么是天文?三千年前中国的哲学家说得特别好:上下四方为之宇,古往今来为之宙。所以说宇宙就是空间和时间。

      什么是空间?光走一天可以到太阳系的边界,光走一年可以到一个离我们最近的恒星;如果是几十光年,上百光年我们就看到很多跟太阳一样的恒星;几千光年,上万光年就能看到银河的悬臂;几十万光年,我们就看到了原来有好多跟银河系一样的星系充斥在我们这个宇宙之中。

      上亿光年,上十亿光年远的时候,就可以看到宇宙的结构,它像纤维网一样,和蜘蛛网以及人类血管相似——最小的东西和最大的东西有非常高的相关性。

      什么是星系?我们对星系的认知近二三十年有巨大变化。首先,星系只占宇宙总物质很小的一部分,在星系外有巨大的暗物质晕,它通过星际介质相连,像人类的血管一样。

      清华教授要造世界最大「光谱望远镜」,用 AI 看清宇宙真相

      把尺度再放大一些,宇宙就像城市,有很多道路,这些道路就是暗物质组成的宇宙网,这些宇宙网交汇的地方就是宇宙的大体结构。

      在时间上,宇宙「大爆炸」发生在 137 亿年前,但是在距今 70亿年左右,我们发现宇宙在加速膨胀,这让人非常难以理解。

      在地球上,如果人跳起来,因为万有引力,速度会降低,人会落回地面。但是当宇宙开始膨胀,物质的密度越来越低,低到一定程度的时候,一种非常神秘的「真空能」就主导了宇宙的膨胀。它在大尺度上表现为斥力,就是所谓的暗能量。

      宇宙的标准模型是 70% 的暗能量,26% 的暗物质,而人眼可见的只占 4%,96% 是不可见的,这是现在对宇宙的认知。

      天文学现在已经进入到全波段的阶段,人们可以探测中微子、引力波,从最短的伽马射线到最长的射电对于宇宙探索都很重要,其中光学红外更是重中之重。

      光学红外信号在宇宙中很普遍,光学就是在可见光波动,红外波长比可见光长一点,在夜间很亮。美国加州理工和加州大学在夏威夷的两排望远镜近十年获得了两个诺贝尔奖。天上的哈勃望远镜也拿到了一个诺贝尔奖。

      我们国家射电望远镜有天眼,在伽马射线和 X 射线方面有很多努力。不过在光学红外设备上,和国际顶尖设备仍有差距,也是我们奋起直追的目标。

      天体物理进入到一个全新的时代,欧美日等发达国家,他们的巡天设备已经识别了几十上百亿天体,数据量非常大。AI 技术在天体物理中已经得到广泛应用。我的课题组使用人工智能探索暗能量的演化和暗物质的引力本质。

      虽然取得了很大进展,但天文学也遇到一些重大危机和问题,我们希望在下一个十年可以解决这些问题。其中一个问题是,现在的哈勃常数,也就是宇宙膨胀的速率用不同方法测是不一样的。暗物质的问题也是一样,不同方法测有 4 到 5 个标准差,原因无法理解。

      这说明我们需要用更高精度来丈量宇宙,例如是否能把 100 亿光年的测距精确到 1%,这对理解暗能量演化、暗物质的掌握至关重要。

      同时,现在的暗物质,学界一致认为它是冷暗物质,不过目前找不到这些冷暗物质。研究表明,天体物理学应该重新审视暗物质的本质。

      清华大学目前的一个项目,MUST 宽视场巡天望远镜,它的口径是 6.5 米,视场为 7 平方度,每次曝光可以捕捉 1 万个天体的光谱信息。相比之下,美国普林斯顿大学斯隆数字巡天望远镜的口径是 2.5 米,视场 1 平方度,曝光能捕捉 1000个天体。MUST 全面领先于美国斯隆望远镜。

      美国最近公布了天文学科未来十年的规划,它要解决的问题和我们要回答的非常相关。

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      中国「天眼」FAST 射电望远镜

      我们希望能在 2028 年建成,MUST 可以和美国以及中国的望远镜在时域这个新窗口进行配合,共同探索宇宙。十年之后,再谈天文的时候,肯定有很多现在想象不到的东西被探索出来。

      IAU 国际天文学联合会主席说,MUST 不仅中国需要,全世界都很需要,因为它能和世界上顶级的巡天望远镜实现完美配合,而中国有能力做成 MUST 项目。

      美国的莫纳克亚山顶,有两排 10 米的凯克望远镜和一台日本东京大学的 8 米望远镜。它们日复一日巡着天空,是我们人类知识边界到达最高的地方。

      就是这些人类的观天巨眼,把眼前这 45 度未知的世界,变成了人们身后 45 度已知的世界。希望我们通过努力,能够在 7、8 年时间里,用我们中国自己的技术去看看宇宙的边缘。

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      蔡峥教授(右)与苟胜老师在极客公园创新大会2022上对谈

      02

      对谈环节

      蔡峥教授与「苟胜老师」对谈内容:

      苟胜老师:现代天文学家都怎么研究宇宙?

      蔡峥:沿用的是当年开普勒建立的体系,从观测数据找出规律,通过统计学的方法推导结论。牛顿能从统计数据里头得出万有引力,一直以来天文就是这么发展的。

      近十年 AI 技术介入到天文学研究,利用 AI 能看到一些目前非常难归纳的理论。相比于人类,AI 能更好地识别难以观察到的东西。所以 AI 在物理学中也起到很大推进作用。

      AI 不但能帮人们总结规律,还能发现规律以外的点,这样的点之前人处理很慢,AI 很快,这就有助于人们去发现根本没想过的新物理。

      苟胜老师:MUST 望远镜和「天眼」这样的射电望远镜有什么区别?

      蔡峥:射电望远镜本质是一个大天线,它可以接收米级的波。MUST 接收的是可见光和红外,它们的波长是三百纳米到 1 微米,波长要比「天眼」短一百万倍。

      根据光学衍射极限,如果是相同口径,MUST 得空间分辨率要比「天眼」高一百万倍,口径小一些的话,分辨率也是一样。

      另外,贵州阴天比较多,「天眼」依然可以工作是因为射电能穿过云层。但是 MUST 就不行,所以需要到青海这样的地方。MUST 和我们眼睛接收的波段是一样的,在那能看到世界上最美的星空。

      苟胜老师:天文学对于普通人的生活有什么影响?

      蔡峥:有很多影响,例如 MUST 望远镜需要很多线性光学设计,这个目前国内没有,通过建造 MUST 可以提到我们的精密光学能力。

      我们现在手机中拍照用的 CCD 传感器,最早是 NASA 用在哈勃望远镜上,希望它能看的更远。相当于是开启了图像数字化时代,如果没有 CCD,那后来的人工智能也不会出现。

      MUST 主要做光谱,清华电子系也在研究新技术,这个技术如果实现了,未来光谱仪就能放到手机里,可以用来检测钞票的真伪,农药残留甚至皮肤癌变。光谱信息是一个金矿,相当于给照片增加了一个维度。

      苟胜老师:未来中国的天宫空间站旁边也会有一个巡天望远镜,它对天文学家的帮助大吗?

      蔡峥:这是 2025 年发射,一个 2.4 米的望远镜,视场是哈勃望远镜的 300 倍。这个望远镜主要用来拍照片,MUST 是拍光谱,两个望远镜天地配合,完全互补,能让我们的探索往前迈一大步。

      PS:一个彩蛋

      在分享的结束时刻,蔡峥老师应极客园粉丝们的要求,现场抱起吉他弹唱了一曲《带你一起丢手绢》,也许这就是天文探索者最深沉的浪漫吧……

      *头图来源:hubblesite

      本文为极客公园原创文章,转载请联系极客君微信 geekparker

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