观三千世界之盛衰兴亡——记薇拉·鲁宾天文台首光

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作者：遠山真理

校对：甘林

审核：牧夫天文校对组

美编：张一帆

后台：李子琦

2025年6月23日美国东部时间早上11点，美国国家科学基金会（NSF）在华盛顿哥伦比亚特区举行了一场一个小时的发布会，首次向全世界公布了鲁宾天文台的巡天项目LSST的科学数据，标志着人类第四代地面巡天的曙光（*注1）。本文将会从历史，设备和科学三个角度来向大家介绍这一划时代的项目。

*注1：巡天项目指的是没有特定目标的，广泛地对天体进行成像或摄谱研究的天文项目。第一代巡天的代表项目是早在1950年代就开始的帕洛马天图计划（POSS），第二代的代表是始于2000年代的斯隆数字巡天（SDSS），从第三代起，空间望远镜开始加入巡天行列，这些项目完成于2010至今，代表是盖亚任务（Gaia），地面的代表是暗能量巡天（DES），第四代巡天则在近些年刚刚开始，空间代表是23年开始在轨运行的欧几里得空间望远镜（Euclid）以及尚在计划中的罗曼空间望远镜（Nancy Grace Roman），地面代表就是鲁宾天文台的LSST。

■图1 6月23日LSST科学首光发布会上公布的室女座方向的一片天区的图像，名为梅西耶49号广域场（M49 wide，M49是图像中偏左下方的那个椭圆星系），覆盖的天区相当于LSST两次曝光，大约为18平方度。其中已经收录进星表的天体都以编号标出。

一．史话鲁宾天文台与LSST

鲁宾天文台的建设计划可以追溯到上世纪的90年代中后期，当时哈勃空间望远镜已经在轨运行了，然而哈勃空间望远镜虽然擅长于观测深空天体，但视场仅有0.04平方度（相当于十分之一个满月），同时能观测的天体数量相当有限。而为了解决宇宙学中的“两暗”（暗物质和暗能量）疑难，科学家们需要大量的数据样本，也就需要一台具有大视场的广域巡天望远镜。于是当时的人们依据其主要的科学目标把这台计划中的望远镜暂时命名为暗物质望远镜，后来在2001年将其更名为大口径巡天望远镜（Large Synoptic Survey Telescope，LSST），并正式立项。LSST的建设在2007年迎来了一个重要的里程碑，比尔·盖茨和曾任微软产品开发主任的查尔斯·西蒙尼分别给项目捐赠了一千万和两千万美元，LSST的主镜得益于这笔赠款才正式投入了建设。2024年竣工之际，为了感谢榜一大哥的打赏，LSST团队又给了这台望远镜一个别名叫西蒙尼巡天望远镜。

■图2 暮色下的LSST。LSST的选址位于智利北部科金博大区的帕穹山，海拔约为2700米，摄影师：H. Stockebrand

落地了LSST的鲁宾天文台的名字则是为了纪念美国卡内基科学研究所的天文学家薇拉·鲁宾（Vera Rubin，1928-2016）对于星系旋转曲线的观测贡献。鲁宾教授的研究始于一个基本的问题：星系如何旋转？20世纪60年代，天文学家已经知晓星系中的恒星和气体围绕中心旋转，但传统理论认为：可见物质（恒星、气体）的引力应主导旋转速度。根据牛顿力学，离星系中心越远的恒星，旋转速度应越慢（类似太阳系行星的轨道速度分布）。 鲁宾教授决定用观测数据验证这一假设。她与仪器专家肯特·福德（Kent Ford，1931-2023）合作开发了更灵敏的光谱仪，能精确测量星系边缘的恒星和气体的运动速度。我们知道旋涡星系大部分的恒星和气体都聚集在中心的核球区域，因此根据牛顿力学，星系边缘的恒星的绕转速度应当会慢于中心的恒星。然而，通过对仙女座星系（M31）等旋涡星系的测量，鲁宾教授的团队却发现星系外缘的旋转速度与内缘几乎是相同的（图3）。于是就产生了两种可能的解释：其一是牛顿的引力理论在星系尺度上需要修正；其二是在星系里可能存在着大量我们看不见的物质在贡献着引力（也就是暗物质）。目前来说，暗物质理论的接受度在学术界更高一些，因为除了星系旋转曲线以外，还有大量其他的观测证据支持着这些“不可见”物质的存在，比如早在1930年代，瑞士天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky，1898-1974）在后发座星系团的研究中就已经发现，星系团的动力学质量（通过引力公式测算）比光度质量（通过可见物质测算）高出了两个量级，也就是说星系团中也存在着大量不可见但具有引力的物质。由此兹威基进一步提出，星系团中如此庞大的不可见物质产生的引力可以强大到弯曲背景的星光，产生所谓的“引力透镜”效应（图4）。引力透镜效应在上世纪80年代便已经被观测证实，也是如今的宇宙学家和天文学家们研究暗物质的主要手段之一，同时也是鲁宾天文台的主要科学目标之一。

■图3 暗物质的存在证据其一：牛顿理论所预测的旋涡星系的旋转曲线（A）与实际观测到的旋转曲线（B）在星系外缘的偏差。（图源：维基百科）