扫描宇宙的“巨眼”：Rubin望远镜如何重塑天文学
它能三天扫完整个天空，还能追踪暗能量和第九行星。
你一眼就能看出，这架望远镜天生就是为速度而生。那座支撑反射镜的钢制基座虽粗壮敦实，却轻盈灵活，能够迅速旋转并精准刹停。底部一排工业级电容器，随时准备为电机提供爆发式动力，使望远镜迅速对准目标。它的核心——那台相机也同样迅捷，每次曝光后不到3秒就能吐出一张3200万像素的图像。
在智利2650米高的山上，一天典型的晴朗干燥天气里，Vera C. Rubin天文台正悄然热身，准备启动。它的外观更像007反派的秘密基地，而不像一座科研设施。此前几天，工作人员因相机冷却系统故障将望远镜锁定在原位。到了5月10日，调试团队判断一切就绪，调试科学家Kevin Fanning准备用这座350吨重的“庞然大物”进行测试。
他只需在笔记本电脑上轻轻一点，整座庞然大物就像唤醒的巨人，开始缓缓旋转。望远镜依靠一层薄油浮动，无声地滑动。电机低鸣，望远镜的“独眼”上下扫视，圆顶悄然转动。动作流畅得让人分不清到底是望远镜在动，还是整个平台随之旋转。这次仅展示了Rubin望远镜最快速度的20%。若是全速运转，连短跑运动员也无法跟上它的节奏。
Rubin鲁宾天文台宽视场的关键是一个8.4米的主镜，其中主镜围绕着第三镜形成一个环。
Rubin之所以要如此之快，是因为它要扫描整个天空。大多数望远镜通常专注某个特定天体，而Rubin望远镜则像一位坚定的巡天士兵，笔直扫过天空，用相当于45轮满月的超大视野，一次次地记录广袤宇宙。每停留一次，它那重达3吨、体型如同一辆汽车的相机会用189个降温至零下100°C的光感应器拍下一张细节爆棚的图像。如果要完整展示这张图像，需要400块超高清电视屏拼成一面墙。
每张图像仅需30秒完成，然后望远镜在5秒内就会迅速对准下一个目标。就这样，Rubin将在三天内拼出整个可见天空的“补丁画”，然后从头再来一次，最终形成一部宇宙的延时纪录片。
每新增的一张图像都会与前一次对比，Rubin能精准捕捉一切移动、变亮或突然出现的天体。每晚，它最多能发现1000万个此类“瞬变现象”，并在一分钟内由加州的SLAC国家加速器实验室发出预警。有些发现将来自太阳系，包括数百万颗新小行星，甚至可能是传说中的“行星9”。
向更远望去，每张图像平均会捕捉到7200颗变星，如造父变星，这类天体被用来测量距离并研究恒星的化学成分。而在银河系之外，它每晚可能会记录下数十万个宇宙剧变：从巨星爆发的超新星，到黑洞撕裂附近恒星的场景，再到两颗中子星合并引发的巨大能量释放。
“最稀有、最古怪、最令人兴奋的现象——这些才是我们真正想从预警流中挖出来的。”来自华盛顿大学、负责Rubin预警系统的Eric Bellm说道。
Rubin也不会忽视那些静静存在于宇宙中的天体。在为期十年的巡天中，它将不断叠加图像，最终绘出有史以来最深、最细致的宇宙地图，收录数十亿个星系。这其中，有的星光来自110亿年前，那时宇宙还不到现在的四分之一大。
借由这些遥远星系的分布情况，科学家们将得以研究它们的演化轨迹，同时深入探究暗物质和暗能量对宇宙结构的影响。这两种神秘物质尽管无法直接观测，却被认为构成了宇宙内容物的95%。
这份宇宙记录将每日增长20TB。一年后，Rubin累积的可见光数据将超过以往所有望远镜的数据总和。
这项雄心勃勃的巡天计划预计将在6个月后正式启动。当前，工作人员正日以继夜地演练图像采集流程，准备未来10年每晚作业无误。首批试验图像预计将于6月23日对外公布。而在测试当天，技术人员头戴安全帽、身穿反光背心攀爬在巨大的结构上，甚至借助可伸缩平台接近那颗“心脏”——巨型相机。
“我们一边在航行，一边造船。”副观测主管Alysha Shugart形容现在的状态。
这座光滑的建筑最大限度地减少了空气湍流
这座8亿美元的天文台由美国国家科学基金会、能源部和私人捐赠联合资助。与其说它是一台望远镜，不如说它是一家数据工厂。SLAC与美国国家光学红外天文研究实验室NOIRLab建立了一整套系统来处理Rubin海量图像。他们会清洗图像、打包年度数据集，并通过在线平台将成果开放给来自美国、加拿大、智利、法国和英国的科学家与公众。这些国家都为Rubin提供了实物支持。
“这是一项为所有人服务的观测，提供一个统一的数据集，能解决绝大多数天文研究问题。”意大利巴勒莫天文台的Rosaria Bonito这样评价。
全球范围内的研究人员早已着手开发机器学习与人工智能系统，准备应对即将到来的数据洪流。数十台地面或空间望远镜，部分已经实现全自动运作，蓄势待发，将迅速锁定瞬变天体，开展追踪分析。
“这个数据集会给我们带来许多计划内的发现，也会带来计划外的惊喜。”多伦多大学的宇宙学家Renée Hložek说，“你永远不知道，直到打开盒子的那一刻。”
Rubin的首席科学家、加州大学戴维斯分校的Tony Tyson回忆说，这座天文台的灵感早在25年前便种下。当时他还在贝尔实验室工作，正在智利的另一座望远镜控制室内研究暗物质。这种神秘物质几乎是常规物质的六倍，但至今没人能直接探测到它的存在，只能从引力效应推断。
Tyson想要通过“微弱引力透镜”技术来绘制暗物质的分布图。这种方法通过观察遥远星系图像被扭曲的方式，推测途中隐藏的物质。但当时常用的摄影底片远不够灵敏。他和团队改进了早期贝尔实验室发明的电荷耦合器件(CCD)，最终造出了400万像素的芯片。尽管今天看来平平无奇，但在当年是惊人飞跃。
1996年，Tyson等人将四枚CCD芯片装进“高通量相机”，安置在Víctor M. Blanco 4米望远镜上。如今Rubin就建在离那里仅15公里的地方。
某个夜晚在Blanco望远镜的控制室里，他意识到，要提高效率，就需要一台拥有更广视野的大型望远镜，能同时接收更多光，并投射在更大的CCD阵列上。于是他找到了亚利桑那大学的Roger Angel，这位天体物理学家曾为世界上最大的望远镜制造反射镜，包括正在建设中的巨型麦哲伦望远镜。
Angel提出的方案是，采用三面镜而不是常规的双镜系统。Rubin的主反射镜宽8.4米，由两个不同形状的镜面构成，再配合一个独立的凸面镜，使得这套光学系统能在整个视野范围内产生几乎无畸变的清晰图像。
起初，这项计划被称为“暗物质望远镜”，他们火速提交了一个提案，参加了美国十年一次的天体物理学重点项目评选。2001年，这个计划获得高分，并被重新命名为“大视场巡天望远镜”，因为它所能实现的远远不止暗物质研究。
近二十年后，随着望远镜在Cerro Pachón山上逐渐成型，它又改名为Vera C. Rubin望远镜，以纪念这位因绘制星系旋转图揭示暗物质存在的女天文学家。
随后，项目加入了更宏大的目标：探索暗能量。这股宇宙扩张的推手最早是在上世纪90年代发现的，其反向拉扯着宇宙，让它加速膨胀，正与暗物质形成对峙。
Rubin的主要“武器”依然是微弱引力透镜。单张图像看不出形变，只有分析上亿张图像，才能从海量星系形状变化中，统计出暗能量在不同宇宙时期的影响力。
之前运行于Blanco望远镜的“暗能量巡天计划”采集了几十万个星系图像，而2023年发射的欧洲“Euclid”空间望远镜目标是10亿颗星系。但Rubin的野心是，捕捉多达200亿颗。
“我们拥有如此庞大的样本，几乎能摆脱传统统计误差的束缚。”Tyson说。
Rubin望远镜的相机本身就是一个工程奇迹。
它重达3吨，尺寸如同一辆汽车，是全球最大的数字相机。每晚，这台庞然大物将采集多达20TB的光学数据。为了提高成像效率并最大限度减少噪点，相机所有的光学元件都被封装在一个低温恒冷系统中，内部温度维持在零下100°C。
它的成像系统由三块镜片组成，负责将宇宙中的微光精准聚焦到感光阵列上。最前面那块镜片直径达1.65米，是天文学历史上最大的镜片。镜片之后是一组色彩滤镜，能根据研究需求切换，让相机聚焦在特定波长的光线上。例如，红外滤镜能穿透尘埃，看清被遮挡的天体。
而最关键的“成像核心”则是一个宽64厘米的焦平面阵列，由189块电荷耦合装置(CCD)芯片组成。这些芯片排列成一个紧密的网格，每一块都能捕捉超过1600万像素的图像，并共同工作，实现2.4秒内完成整幅图像的读取。
这个“超宽眼睛”具备3.5度的视野，相当于天空中45个满月拼接的面积。在技术性能和观测效率之间，它实现了完美平衡。
天文学家最关心的问题之一，是“暗能量”到底是恒定不变的宇宙真空能，还是随着时间演化的神秘变量。如果它不是恒定的，就意味着我们对宇宙的理解还极其不完整。今年早些时候，亚利桑那州的“暗能量光谱仪”项目首次暗示暗能量可能并不稳定。Rubin的观测将有望确认或否定这一令人兴奋的猜测。
Rubin的策略是，通过大量星系图像进行统计分析，从不同距离的星系形状变化中，反推出星系间物质的三维分布。因为引力不只扭曲空间，也影响光线，暗物质和暗能量的力量，就隐藏在这些微妙的形变中。
早在2013到2019年，Blanco望远镜上的“暗能量巡天计划”就尝试过这个方向，成功积累了上百万张星系图像。而Euclid空间望远镜的目标是观测10亿颗星系。而现在，Rubin望远镜将把这个数字直接提高到20亿。
“样本量大到离谱，我们几乎不用再担心常规的统计误差了。”Tony Tyson说。
当夜空不再只是图像，而是一帧帧流动的电影，宇宙的脉搏和神秘力量将逐渐浮出水面。这正是Rubin望远镜的意义：不仅仅是看见，更是理解。
