MUST的“大眼睛”有望“看见”暗物质

2024-06-20 17:16:02 来源：科技日报

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暗物质和暗能量，被科学家比作“笼罩在21世纪物理学天空中的两朵乌云”。暗物质既有“穿墙术”又有“隐身术”，人类不仅肉眼看不到，甚至使用天文望远镜和电磁学手段观测都无法捕捉到。为了探究它们，需要借助更先进的观测设备和更精密的实验技术。

宽视场巡天望远镜（MUST）项目应运而生。日前，“第五代宽视场光谱巡天望远镜关键技术设计验证与研制”项目启动暨实施方案论证会在江苏江阴召开。清华大学牵头联合国内外顶尖天文单位，将部署国际首台新一代光谱巡天望远镜。

那么，MUST究竟具有怎样的配置？与国内外其他性能优越的望远镜相比，有何特点？它将如何观测暗物质，解答暗物质之谜？

在银河系“边疆”“考古”

业内专家认为，目前宇宙学的发现和未来对暗能量、暗物质的探索，迫切需要第五代宽视场光谱巡天望远镜。

天文学是一门极度依赖设备的学科，望远镜的性能很大程度上决定了科研水平。设计完成的MUST光学口径达6.5米，可同时观测至少2万个天体的中高分辨率光谱，光谱覆盖在0.36—1.0微米的宽光谱范围。十年内，MUST有望在暗能量、暗物质、引力波宇宙学和星系形成等前沿领域取得重大的基础性、原创性突破。

MUST项目经理、清华大学天文系副主任蔡峥接受科技日报记者采访时介绍，在银河系内和邻域宇宙中，MUST进行的恒星光谱巡天将帮助人们在银河系的“边疆”开展“考古”研究，揭示银河系恒星的形成历史，并对本星系群进行更细致入微的“人口普查”。

具体而言，MUST的核心科学目标是获取更精确的宇宙学模型，进而探索暗能量的演化和暗物质的本质。它将开展高红移大尺度结构宇宙学巡天，更好地探索暗能量的起源和演化、宇宙暴涨时代，并探秘中微子质量。同时，MUST也将利用星系巡天，更好地刻画星系—暗物质晕的物理关联，并通过不同观测探针探索暗物质本质。MUST还将开展前所未有的大规模星系与黑洞巡天，帮助更好地理解不同环境下的星系形成、星系—超大质量黑洞的共同演化，以及获取宇宙生态系统的物理图像。

蔡峥说，相比国内外已建成的望远镜，MUST在暗物质研究上具有大口径、大视场、高光谱分辨率和高效率的特点，其作为第五代光谱巡天望远镜能同时观测更多天体，提高观测效率和科学产出。

“MUST建成后，会成为中型地基望远镜最后一块尚未完成的拼图。相比目前世界上最高性能望远镜，其巡天综合能力将提高10倍以上，有望取得国际一流成果。”蔡峥表示。

以新维度刻画动态宇宙

MUST的光学系统具有优越的成像质量，犹如明亮的“大眼睛”探测深空。它将如何工作？

MUST项目科学家黄崧介绍，MUST将通过极大规模的星系和类星体红移巡天，首次在宇宙学尺度上测量宇宙高红移的星系光谱，得到宇宙早期的三维结构。

此外，它还将开展小尺度、灵活的光谱巡天，获取更精确的星系—暗物质晕物理关联模型、提高近邻宇宙小尺度结构对暗物质本质的限制、为超新星宇宙学和引力透镜宇宙学提供高精度红移下的数据支持、探索包括本地速度巡天在内的新型宇宙学限制手段，更好地实现第五代宇宙学光谱巡天望远镜的使命。

性能优异的MUST还将支撑更丰富、灵活的科学探索，如推动星系形成与演化的观测研究，构建更精确的银河系结构与演化模型。此外，它还可协助时域天文学，开启光谱时域这一新的观测参数空间，发现未知的新物理领域。

“MUST是一个面向国家基础科学发展战略需求、符合第五代宇宙学光谱巡天要求、有望在一系列重大关键科学问题上产生突破性成果，并且能系统持续开展战略性、前瞻性和综合性研究的大科学装置与平台，将力争开展首个大规模时域光谱巡天。这不仅可以在新维度上刻画动态宇宙，也将增强与其他多形式深空探测项目的协同效应。”MUST项目机械系统负责人郭利泉介绍。

记者了解到，MUST之所以能有效开展第五阶段宇宙学光谱巡天，是因为研究人员突破了一系列关键技术难题。郭利泉介绍，研究人员通过对光谱仪进行多通道设计，解决宽波段覆盖、高能量利用率、中高光谱分辨率之间的矛盾。同时，采用分色镜将波段分割成多个通道，每个通道独立设计色散元件、光谱成像和光电探测器。色散元件拟选用最新的透射式光栅或离子束刻蚀光栅，并根据每个通道的闪耀波长和光谱分辨率要求进行定制设计，从而在紧凑的空间结构中实现最高光栅衍射效率。项目整体集成化设计，解决了高海拔地区系统装调测试难题。

预计2030年实现首光

“预计到2030年，MUST将实现首光。”清华大学精密仪器系激光与光子技术研究所所长、MUST项目总工程师黄磊说，“期待它在宇宙学研究和暗物质、暗能量的观测方面取得重大进展。”

黄磊分析，MUST兼具多目标光谱和成像光谱两种功能，是世界最大光谱巡天望远镜，其强大的光谱获取能力将对宇宙学基本参数、宇宙原初暴涨、暗物质本质、暗能量演化、时域天文学（如引力波电磁对应体）、星系形成、系外行星和地外生命等领域产生深远影响。这些科学问题都是目前天文学和物理学的重大问题，也是国际天文界争先解决、而且有可能在未来10—20年解决的问题。

此外，通过MUST对银河系中恒星的视向速度的光谱测量，可以提升对于本地宇宙中暗物质分布的测量精度，也有助于更好理解暗物质在小尺度上产生的物理现象。

具体来说，通过MUST进行的银盘恒星巡天，可以给出太阳系附近的银河系暗物质密度和速度分布的高精度测量结果。同时，对位于银河系边界的大量银晕恒星的视向速度巡天可以进一步助力测量银河系银晕的形状，并对银河系的总暗物质晕质量给出更准确的限制。

黄磊表示，考虑到MUST光谱巡天的灵活性和持久性，它有望成为一个强大的“暗物质天文台”，获得海量暗物质相关数据，与其他不同类型的暗物质实验和观测一起，在未来20年内为解答“究竟什么是暗物质”这一问题作出重要贡献。