知乎的朋友們，大家好！我是來自中國科學(xué)院高能物理研究所高海拔宇宙線觀測站“拉索”實驗團(tuán)隊的陳松戰(zhàn)，非常榮幸參加這次活動并回答吳學(xué)兵老師的提問?！叭绻磥砜萍甲屚h(yuǎn)鏡繼續(xù)發(fā)展，我們還能看到什么？”以我有限的知識，這個問題有些過于宏大，我不一定能夠回答好，但是作為一名科技工作者，我還是希望以微薄知識盡力暢想對未來天文觀測的展望和期許，為廣大知友提供參考。渺渺星空，浩瀚宇宙，人類自古就對天空充滿了好奇，試圖發(fā)展各種探測手段來探索宇宙的奧秘。科學(xué)發(fā)展至今，人類對宇宙的探索可以歸結(jié)為四種信使：電磁波、宇宙線、中微子和引力波。首先介紹一下我了解到的這四個方面的天文望遠(yuǎn)鏡的概況。

“如果未來科技讓望遠(yuǎn)鏡繼續(xù)發(fā)展，我們還能看到什么？”以我有限的知識，這個問題有些過于宏大，我不一定能夠回答好，但是作為一名科技工作者，我還是希望以微薄知識盡力暢想對未來天文觀測的展望和期許，為廣大知友提供參考。

渺渺星空，浩瀚宇宙，人類自古就對天空充滿了好奇，試圖發(fā)展各種探測手段來探索宇宙的奧秘?？茖W(xué)發(fā)展至今，人類對宇宙的探索可以歸結(jié)為四種信使：電磁波、宇宙線、中微子和引力波。首先介紹一下我了解到的這四個方面的天文望遠(yuǎn)鏡的概況。

電磁波是普通大眾最為熟悉部分，但是也是覆蓋范圍最廣的一個，頻率從低于0.01Hz到超過1030Hz，根據(jù)頻率不同可以進(jìn)一步分為射電、紅外、光學(xué)、紫外、X射線和伽馬射線等。人肉眼可見的光學(xué)波段在整個電磁波中只占據(jù)很小一段，但是人類在很長的歷史間只能依賴肉眼觀測星空，直到1609 年伽利略發(fā)明了光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡，才開啟了以科學(xué)觀測為基礎(chǔ)的現(xiàn)代天文學(xué)。1940 年射電望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)，開啟了以全電磁波段 (包括射電、紅外、光學(xué)、紫外、X 射線和伽瑪射線) 觀測為基礎(chǔ)的當(dāng)代天文學(xué)時代。射電觀測與 1962 開始的 X 射線觀測和1967年開始的伽馬射線觀測將天文研究拓展到了非熱天體輻射及相應(yīng)的高能過程。

目前電磁波方面的望遠(yuǎn)鏡非常多，是我們探索星空和認(rèn)識宇宙的主要依賴。國際上比較知名有宇宙微波背景輻射普朗克望遠(yuǎn)鏡（Planck）、近紅外詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）、光學(xué)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（HST）、蓋亞全天天體測量干涉儀(Gaia)、錢德拉X射線天文臺（CXO）、費米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡（Fermi）等等。我國比較著名的望遠(yuǎn)鏡在射電波段有位于貴州的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)，在光學(xué)波段有位于河北興隆的郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST），在X射線波段有空間的慧眼(HXMT)和愛因斯坦探針(EP)，在伽馬射線波段有位于四川稻城的高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)。值得指出的是2021年LHAASO發(fā)現(xiàn)銀河系內(nèi)12個能量大于100TeV的超高能伽馬射線源，開啟了超高能伽馬天文學(xué)時代，將電磁波的觀測窗口向更高頻率進(jìn)行有效拓展，使得我們能夠一睹宇宙的超能一面。

引力波是物質(zhì)和能量的劇烈運動和變化所產(chǎn)生的一種物質(zhì)波，1916年，愛因斯坦基于廣義相對論預(yù)言了引力波的存在，2016年美國的激光干涉儀引力波天文臺(LIGO) 首次探測到恒星級雙黑洞并和的引力波，開啟了引力波天文學(xué)。目前中國科學(xué)家也提出了“天琴”與“太極”兩個空間引力波探測計劃，希望拓展引力波的探測頻率范圍至低頻區(qū)。非常值得提及的是2023年FAST也基于對脈沖星的測量間接首次觀測到納赫茲引力波存在證據(jù)，可能是由超大質(zhì)量黑洞合并而引發(fā)。但是由于引力波產(chǎn)生的條件，目前引力波的探測也僅限于探索宇宙中致密天體并和現(xiàn)象。

宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子，主要有各種原子核組成，包括少量的電子，1912年由奧地利物理學(xué)家赫斯發(fā)現(xiàn)。由于星際磁場對宇宙線的偏轉(zhuǎn)影響，人類很難直接推斷出宇宙線起源天體，但是宇宙線是人類目前能夠獲取太陽系以外唯一的物質(zhì)樣本，而且宇宙線是組成宇宙基本成分之一，與暗能量、暗物質(zhì)、天體物質(zhì)、氣體與塵埃物質(zhì)并列，在星系的演化過程中發(fā)揮著不可或缺的重要作用。目前國際上比較著名的宇宙線望遠(yuǎn)鏡在空間有丁肇中先生領(lǐng)導(dǎo)的阿爾法磁譜儀（AMS）和中國的“悟空”（DAMPE），地面望遠(yuǎn)鏡有LHAASO（LHAASO既是伽馬射線探測器，也是宇宙線探測器）和位于南美的3000平方公里極高能宇宙線探測AUGER實驗等。宇宙線實驗的核心科學(xué)問題是破解宇宙線這種極高能粒子的起源和加速之謎，另外，宇宙線的探測也是目前探索暗物質(zhì)的熱門方向。

中微子是穿透力超強(qiáng)的中性基本粒子，在星體演化和超新星爆炸中扮演重要角色，可以用于探索星體內(nèi)部深處和宇宙深處的天文現(xiàn)象。因為其超強(qiáng)的穿透性，極難探測，目前望遠(yuǎn)鏡主要借助天然大容量的水或冰進(jìn)行探測。在低能區(qū)有日本的超級神岡中微子探測實驗（Super-K），其曾探測到太陽輻射的中微子和大麥哲倫云中超新星1987A爆發(fā)時產(chǎn)生的中微子；在高能區(qū)，目前主要是南極冰層中1立方公里的冰立方(IceCube)實驗，目前已經(jīng)探索出高能中微子探測技術(shù)，探測到宇宙中的彌散中微子，并在幾個天體中發(fā)現(xiàn)高能中微子跡象，但是很遺憾至今還沒有探測到一個確定的高能中微子輻射天體，所以高能中微子天文目前仍未真正開啟。目前高能所LHAASO團(tuán)隊也提出了未來高能水下中微子望遠(yuǎn)鏡計劃(HUNT)，希望將探測器規(guī)模由現(xiàn)有的1個立方公里提升至30個立方公里，從而真正打開高能中微子這一天文窗口。

正是由于各種天文望遠(yuǎn)鏡的不斷發(fā)展，我們探索宇宙的窗口越來多，我們了解到的天文現(xiàn)象越來越多，對同一天文現(xiàn)象獲取信息也越來越豐富，用現(xiàn)在天文界時髦的話，天文學(xué)研究已經(jīng)邁入了多信使時代。高能所的張雙南老師在介紹引力波發(fā)現(xiàn)時，曾有個形象比喻，電磁波是人用眼睛看，而引力波相當(dāng)于人用耳朵聽。按此比喻再拓展一下，那么我認(rèn)為宇宙線作為人類獲取太陽系以外唯一的物質(zhì)樣本，對其探測相當(dāng)于人用舌頭品，而中微子具有幾種味道，對其探測相當(dāng)于人用鼻子聞?？偨Y(jié)起來，人類對宇宙的探索是要達(dá)到耳聰目明、舌尖鼻靈。

有了前面四種信使的基本介紹，我們再談?wù)勎磥砑夹g(shù)的發(fā)展。不管是哪種信使的探測，探測器的性能都有兩個重要指標(biāo)：靈敏度和角分辨率。未來望遠(yuǎn)鏡技術(shù)發(fā)展除了拓展探測頻率或能量范圍外，主要圍繞這兩點前進(jìn)。在我參與LHAASO實驗規(guī)劃之初，高能所的曹臻老師，也是LHAASO的首席科學(xué)家，他經(jīng)常給我們說的是，“天文望遠(yuǎn)鏡只要把性能提升到一定程度，我們總能看到宇宙中新的現(xiàn)象”。多次歷史經(jīng)驗表明，每次望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的突破，總能給人類揭開宇宙新奇的一面，這也是天文觀測者不斷發(fā)展望遠(yuǎn)鏡的源動力。

靈敏度就是望遠(yuǎn)鏡能觀測到的最弱天體的亮度，靈敏度越高，能探測到的星體就越多，比如人肉眼的靈敏度就是能看到6等星的亮度，在此靈敏度下可看到夜空的星星約為數(shù)千顆，再暗的星就需要借助望遠(yuǎn)鏡，目前借助望遠(yuǎn)鏡，人類看到數(shù)以百億計的星星。但是不同信使和不同波段技術(shù)發(fā)展并不均衡，其觀測的星星數(shù)目有很大不同，在高能伽馬射線波段，目前觀測到的天體達(dá)到了七千多顆；在LHAASO打開的超高能伽馬射線波段，目前才有四十多顆；在引力波方面，目前探測到百余事件；在中微子方面，在低能才兩個天體，高能方面還沒有一顆確定天體。不管是那種波段，那種信使，目前看到的天體數(shù)目仍然是宇宙中的冰山一角，有人估計整個可觀測宇宙中可能包含約2萬億個星系，而每個星系平均有1億顆恒星，而每個星星都自己獨特的一面，其演化也會呈現(xiàn)多姿多彩。隨著未來技術(shù)發(fā)展，我們看到的星星數(shù)目會越來越多，超預(yù)期的新的天文現(xiàn)象也會不斷涌現(xiàn)，探測距離也會越來越遠(yuǎn)，同時也會探測到一些未知的短時間暴發(fā)現(xiàn)象。不同信使和不同波段看到的天文現(xiàn)象也不同，目前射電、X射線和伽馬射線觀測到非熱天體現(xiàn)象明顯就不同于光學(xué)觀測到的熱輻射天體，非熱現(xiàn)象主要起源于極端致密、極端劇烈或極端強(qiáng)磁場天體，而引力波看到的天體也明顯不同于電磁波段看到了天體，我相信未來高能中微子這一窗口打開之后，人類也會觀測不一樣的宇宙新現(xiàn)象，使得人類對宇宙的了解也更加豐富多彩，對宇宙的過去與未來也更加清晰。

角分辨率表征探測器成像的清晰度，一般人眼角分率為1角分（即1/60度），相當(dāng)于能夠看到100米遠(yuǎn)處3厘米長的物體，目前角分辨率最好的望遠(yuǎn)鏡是基于甚長基線干涉的射電望遠(yuǎn)鏡，角分辨率可以到1個毫角秒以下，在光學(xué)波段的HST望遠(yuǎn)鏡角分辨率為50毫角秒，在X射線波段CXO望遠(yuǎn)鏡為500毫角秒，伽馬射線波段最好達(dá)到幾個角分量級，宇宙線和中微子的角分辨和伽馬射線差不多，而且引力波的角分辨要差很多，在幾度和幾十度量級。其實在這樣的角分辨率下，我們對很多遙遠(yuǎn)的天體來說仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，以最好的0.1毫角秒的分辨率來估計，對于1kpc遠(yuǎn)的天體，其分辨尺度為1500萬公里，約為太陽直徑的10倍長，對于更遠(yuǎn)的河外天體，距離都在Mpc以上，其分辨尺度更大。未來隨著望遠(yuǎn)鏡技術(shù)發(fā)展，角分辨率將會逐步提高，我們對宇宙的觀測的也會越來越清晰和真切。

2021年Science雜志發(fā)布了《125個科學(xué)問題：探索與發(fā)現(xiàn)》 ，其中天文方向有23個，包括宇宙的形狀、宇宙的構(gòu)成、宇宙的未來、大爆炸的開始、宇宙中的生命體、宇宙線的起源、宇宙高能中微子起源等等。隨著望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的發(fā)展，我們將會看到更多令人驚奇的宇宙新現(xiàn)象，對宇宙及各類天體演化的認(rèn)識更加深刻，并逐步揭示這些困擾人類多年的天文難題，當(dāng)然，隨著知識的豐富，我們對宇宙也將會面臨更多新的問題，而這些科學(xué)問題也是驅(qū)動人類不斷進(jìn)步的動力。這些天文的探索也會推動我們對自然界基本物理規(guī)律的研究，進(jìn)而推動航空航天技術(shù)的進(jìn)步，我也憧憬未來有一天人類能夠乘坐飛行器自由奔赴星辰大海、遨游宇宙。