探索宇宙，亚毫米波不应成为“缺失的遗憾”

 

几年前，在某次国际天文学会议上，一位国外天文学家的发言给中国科学院紫金山天文台（以下简称紫台）研究员李婧留下了深刻印象。

“那位学者说，在我们理解宇宙的过程中，一些突破性的重大发现往往源自于新仪器的产生，进而为我们打开一扇窗，拓展人类的认知边界。”李婧说，“所以，天文学的发展离不开先进的科学仪器和强大的观测设施。”

说起这段往事时，李婧正坐在香山科学会议第795次学术讨论会的现场。此次会议的召开地是在青海省德令哈市，就在距离会场百公里外的怀头他拉镇雪山牧场，我国首台全自主研制的雪山牧场15米亚毫米波望远镜（以下简称XSMT）项目正在紧张的建设中。

此次会议的主题便和这台指向苍穹的“新设施”，以及其背后的亚毫米波/太赫兹天文观测密切相关。

特殊性质，特殊难题

如果不是特别严谨的学术表达，“亚毫米波”和“太赫兹”是可以划“约等于号”的。

“亚毫米波指波长在0.1毫米~1毫米之间的电磁波，是波长的表达；太赫兹则指频率在0.1太赫兹~10太赫兹之间的电磁波，是频率的表达。”接受《中国科学报》采访时，中国科学院院士、紫台学术委员会主任史生才介绍说，这两个波段几乎重叠，后者只比前者稍宽一些，包含了部分的毫米波和远红外。之所以将两者区分开来，是因为“‘亚毫米波’传统上多用于天文学研究，但相关探测技术拓展应用时，则更喜欢用‘太赫兹’的说法”。

在天文观测领域，亚毫米波属于高频射电；在低频射电领域，我国已经或正在建设多台天文望远镜，其中就包括著名的“中国天眼（FAST）”；如果将亚毫米波的频率提升，则会进入光学红外观测领域。在此领域，我国也已经在运行或建设了多台天文望远镜。

那么，我国有几台亚毫米波天文望远镜呢？

“正在建设的只有XSMT，除此之外，目前没有一台可常规运行的。”史生才直言。

事实上，即便在全球范围，亚毫米波天文望远镜的数量也要少于其他波段的望远镜，这是由该波段电磁波的特殊性质所决定的。

据上海师范大学数理学院教授束城钢介绍，相比于其他波段的电磁波，地球大气对亚毫米波段电磁波的吸收特别强烈，这导致宇宙空间中的此类信号很难穿透大气层到达地面。

这给地面望远镜的建设和观测带来了两个挑战。

第一个是在哪儿建。亚毫米波天文望远镜对于选址的要求极为苛刻。选址点必须同时具备海拔高、温度低和大气干燥等特征。根据卫星数据分析，全球范围内满足所有要求的优良台址基本只有南北极、智利北部的阿塔卡马高原，以及我国的青藏高原地区。

第二个问题是如何接收信号。即便在上述台址，能穿透大气到达地面的亚毫米波信号也非常微弱，需要更灵敏的接收和探测手段，目前主要借助超导探测技术。该项技术虽然很灵敏，但也一定程度上提高了望远镜的建设门槛。

既然这么难建，我们为什么还要建呢？

得天独厚的优势

如果将天文望远镜比作一双双观察宇宙的“眼睛”，那么缺失的亚毫米波段天文望远镜无疑是目光中的一个“盲点”。至于这个“盲点”的存在对于我们究竟有着怎样的影响，XSMT科学团队的成员们是有着切身体会的。

2019年和2021年，借助多个国家的亚毫米波天文望远镜的联合观测，人类历史上首次成功拍摄到了两张黑洞照片，该事件成为了国际天文学界的一大“盛事”。但由于我国没有一台此类望远镜，在这场“盛事”中，我们在观测设施上缺席了。

西湖大学理学院教授施勇告诉《中国科学报》，天文观测领域，不同波段望远镜的观测内容及科学目标并不相同，不同波段下的宇宙图景也不一样，这意味着亚毫米波段的观测缺失，是不可能被其他波段的天文观测所弥补或替代的。

更重要的是，亚毫米波虽极易被大气吸收，但在宇宙中的穿透力却非常强，这意味着人类可以借此看到宇宙更远、更深的过去和更冷、更暗的地方。

“借助亚毫米波的探测手段，我们甚至有希望探知宇宙的第一代星系。”施勇说，这意味着亚毫米波可以算作人类观测最遥远宇宙的最有利手段之一。

除科学上的重要性外，我国发展亚毫米波天文观测也具有得天独厚的优势——青藏高原本就是全球少数几个适合亚毫米波观测的地区，德令哈市附近的雪山牧场候选台址更以其独特的气候环境，成为亚毫米波观测的理想位置。

此外，正如前文所言，亚毫米波信号的接受有赖于超导探测技术，而史生才和李婧所在的团队专注亚毫米波高灵敏度超导探测技术已有几十年时间，并为国内外多台毫米波/亚毫米波天文望远镜做出技术支持和贡献，“可以自豪地说，我国这方面的技术处于世界先进甚至领先的水平。”史生才说。

“XSMT是最关键的”

正是基于上述认知，2022年2月，紫台自主部署立项了XSMT项目。今年9月20日，该项目正式启动工程建设。

“我们计划2027-2028年建成并投入试观测。届时，它将成为我国首台全自主研制且具有国际先进水平的亚毫米波天文望远镜。”李婧说。

雪山牧场的海拔超过4800米，其低温、低湿的特点很适合亚毫米波天文观测，但也给项目施工带来了很大困难，加之风雪频繁、太阳辐射、昼夜温差等自然因素干扰，工程建设的难度可想而知。

不过，这些并不是建设团队最棘手的难题。

“很多建设本身的难题我们可以克服，但有些问题单凭我们项目团队却很难解决。”李婧坦言，目前他们面临的最大难题在于基础保障与支撑建设。

她解释说，由于望远镜的选址区域是无人区，导致路、电、网等基础设施都需要从零开始，而要完成这些工作，地方政府的帮助和支持必不可少。

“在建望远镜这件事上，当地政府已经帮了我们很多，但我们还需要更多的支持，特别是在道路和供电方面。”李婧笑着说。

不过她也坦言，对于他们团队来说，目前遇到的诸多困难也是一次难得的“锻炼机会”。

“史院士经常说‘XSMT 是最关键的’，因为我们在建设以及后期运行这台望远镜的过程中，所有的经验和教训都将成为未来建设更大的亚毫米波天文望远镜的宝贵财富。”李婧说。

对此，参与与此次香山科学会议的中国科学院院士、中国科学院南京天文光学技术研究所研究员崔向群也表示，15米亚毫米波天文望远镜并不应成为我国相关建设的“终点”，而应是一个重要且值得期待的“起点”。

她告诉《中国科学报》，XSMT一旦建成并投入使用，后续的建设方向有两种选择，一是建设更大的50米级口径单天线亚毫米波望远镜；二是建设干涉阵。至于最终选择哪条路，目前还在论证中。

不过，在此次会议上，与会学者更倾向于前者，而50米级亚毫米波天文望远镜的一旦建成，“那绝对是国际领先的亚毫米波观测设施。”李婧说，“打个不太准确的比喻，那相当于亚毫米波段的FAST””

此外，亚毫米波技术的拓展应用也同样值得被期待。

比如在2024年10月，紫台团队牵头利用一台50厘米口径的亚毫米波天文望远镜，成功实现了1.2公里距离太赫兹频段的高清视频实时无线传输。这是国际上首次将亚毫米波天文望远镜系统应用于太赫兹通信领域，验证了其开展星地高容量通信的巨大潜力。

“相对于传统通讯方式，太赫兹通讯拥有更大的带宽，该技术一旦成熟，相当于将一条两车道的公路扩展到了6车道甚至8车道，其对通信技术未来发展的意义不言而喻。”史生才表示，此外，相关技术还可以应用到医学成像、量子计算等领域。

“总之，我们现在只是站到了亚毫米波技术和太赫兹技术应用的‘门槛’上。未来，这个‘门槛’我们是一定要迈过去的。”史生才说。