崔向群：布局更大规模的下一代地面望远镜
今年以来，依托大规模光谱巡天，我国天体物理领域研究喜报频传。前不久，大天区面积多目标光纤光谱望远镜（LAMOST/郭守敬望远镜）发布的天体光谱总数突破3000万条，让天文观测仪器再次进入公众视野。
近日，科技日报记者专访了中国科学院院士、LAMOST总工程师崔向群，听她讲述那些被星光照亮的故事。
崔向群院士 受访者供图
构建天地一体化的宇宙观测体系
记者：国际天文仪器发展的主流趋势是什么？
崔向群：天文学是一门以观测为核心的基础科学，天文观测的突破离不开天文仪器的革新。仪器的不断革新使天文观测可用的波段范围从可见光逐步拓展到地面可观测的无线电波段，后来又覆盖了红外、紫外、X射线、γ射线等电磁波段，人类由此进入全电磁波段观测时代。
这是上个世纪天文观测技术与仪器发展的核心主线。
当前，空间天文已成为全球科技竞争的前沿热点，在轨科学仪器的数量和性能持续提升。与此同时，地面大型观测装置也在迭代升级。除了传统的电磁波观测，引力波、中微子等多信使观测方式的加入，为我们打开了认知宇宙的全新窗口。这些非电磁波的宇宙信使，能够帮助我们更深入地理解宇宙的起源与演化，破解暗物质、暗能量、黑洞的本质与形成机理，同时为地外行星与地外生命探索提供重要的补充视角。
记者：当前，我国的天文观测仪器处于什么水平？
崔向群：20世纪50年代初，我国明确了自主发展路线，50—60年代开始自研中小型望远镜。70年代左右开始建造的2.16米口径光学望远镜是我国自主研制的第一代大型天体物理仪器代表。虽然其规模当时在国际上只算中型望远镜，但它的创新特点突出——国际首创了焦点切换无需更换副镜的新颖设计。这一设计获得1977年美国天文界代表团的高度评价，并被之后的天文望远镜设计所效仿。改革开放后，我国天文仪器发展进入高速发展机遇期。
总体而言，我国天文仪器起步晚，但因为不断创新和后续发展全面加速，实现了从“跟跑”到部分领域“领跑”的战略性突围。LAMOST的技术突破，让我们占据了大规模光谱巡天领域的国际制高点。此外，500米口径球面射电望远镜（FAST）让我们在低频射电观测领域独步全球；空间天文也取得不少成就，“悟空”号发射实现我国空间天文“零”的突破，“慧眼”“天关”“夸父一号”“羲和号”以及国际合作的天基多波段空间变源监视器（SVOM）等一批天文卫星在轨运行，形成了天地协同的观测格局。
记者：您提到天文学正在进入空间天文时代，但我也注意到，国内外依然在大力建设地面望远镜。
崔向群：地面观测和空间观测是天生的互补关系，谁也取代不了谁。空间望远镜能彻底摆脱大气层，覆盖地面完全看不到的远红外、紫外、X射线等波段。但地面望远镜的优势也非常突出：没有火箭载荷限制，口径能做得大得多；地面望远镜寿命长、维护方便，运行几十年很常见，易于升级改造和仪器换代，相同口径下造价也低得多。随着自适应光学技术实时校正大气抖动能力的不断提升，地面望远镜在红外波段的成像质量已可与空间望远镜相媲美。
记者：地面和空间望远镜应该如何配合，才能实现投入产出比最大化？
崔向群：必须地面与空间“两手抓”。空间能够观测地面看不到的特殊波段，可以做全波段精细观测；地面可以靠大口径和低成本优势，做大视场大规模巡天观测和天体的长期监测、部分波段的高分辨精细观测和更暗弱目标的观测，两者互为支撑。未来，空间站会为空间仪器的在轨维护提供便利。
另外，除了常规地面和纯空间，现在还有准空间观测这个高性价比路线。比如南极冰穹A，观测条件已经非常接近太空。我们在昆仑站放置了小望远镜，实现无人化自动观测。当然，在这些地方进行观测还需要克服极光、结霜的影响。再远一点，月球也是一个绝佳的观测台址，尤其是月球背面，没有地球的辐射干扰，是天文观测的理想地点。
接过宇宙奥秘探索的接力棒
记者：是什么契机让您选择了天文？
崔向群：最早就是被好奇心推着走的。小时候我特别喜欢看《十万个为什么》，我记得那套书一共8本，里面那些关于宇宙和星星的问题，总让我觉得特别神奇。那时候城市里还没有这么多灯光，夏天晚上坐在院子里乘凉，抬头就能看到整条银河。我就拿着书，对着天空找牛郎星、织女星、北斗七星，当时那股兴奋劲儿我到现在都记得。
长大后，我了解到我们的祖先早在几千年前就开始系统观测天象，留下了世界上最早且最系统连续的超新星记录、彗星观测记录和恒星星表，为人类天文学发展作出了不可磨灭的贡献。能接过这个接力棒，在科学前沿继续探索宇宙奥秘，为人类文明贡献一点中国力量，我觉得特别荣幸。
记者：您在毕业后原本被分配到省会城市的大型飞机制造厂工作，但您为何要求到偏僻山沟的光学仪器厂工作？
崔向群：是的。我是工农兵大学生且学的是光学仪器专业，我觉得要学以致用，不浪费学到的知识，就主动申请去光学仪器厂。当时，我心想，山沟就山沟，没有什么不可以。到了那边，我就主动找事做，改造机器、工具，研究高速抛光等，不甘心只做普通工人。
记者：恢复研究生招生后，听说您骑了40里山路前去报考。
崔向群：那时候还没有收音机，只能听喇叭广播，听说恢复招研究生后，我决定直接报考天文仪器专业的研究生。当时的交通还不是很便利，我就借了一辆自行车，上坡推着走，下坡或平路就骑一段。当时只有满心的欢喜，根本不觉得这个山路有什么，觉得有书读就心满意足。
记者：在研究生学习期间，您最大的收获是什么？
崔向群：我刚读研究生时，就读到了美国国家光学天文台的几篇前瞻性研究文章，里面提到了几种25米口径大望远镜方案的初步设想。当时国际上已经开始在做8米和10米口径的光学红外望远镜。在阅读这些前沿文章的过程中，我对天文观测的兴趣越来越浓厚。因为这些文章一下子打开了我的眼界，让我看到了天文光学工程未来几十年清晰的发展方向。这种能触摸到未来的感觉，让我更加热爱这个领域。
三项关键技术突破成就LAMOST
记者：您曾说过，LAMOST设计方案是“概念创新”。
崔向群：应该说，望远镜“概念创新”是核心，关键技术创新是为了实现这个新概念。国际天文界有个公认的百年困局：大口径和大视场就像鱼和熊掌，永远不可兼得。一方面，望远镜口径越大，集光能力越强，越能探测到遥远暗弱的天体，但视场却越窄，每次只能观测少数几个目标；另一方面，若追求大视场，则口径必然受限，无法探测宇宙深处的暗弱对象。对于天体的光谱观测而言，由于需要将光线色散分光，因此同样亮度的目标，光谱观测所需的口径要远大于成像观测，这就更要求望远镜同时具备大口径和大视场——而这恰恰陷入了上述两难的百年困局。
上世纪80年代，我国天文学领路人王绶琯院士提出将大规模光谱巡天作为我国天文学发展的突破口，因此必须要解决这一百年困局。这在当时是没人敢想的事。1986年，我国天文光学领军人苏定强院士在国际会议上首次提出：将主动光学技术应用于经典反射施密特系统，打造镜面可实时变形的“主动变形镜光学系统”，且镜筒固定不动。这一原创思路也被我国FAST沿用，成为其核心技术“主动反射面光学系统”的理论基础。
记者：这个全新概念是如何变为现实的？
崔向群：要在LAMOST上实现这一原创思路，离不开三项关键技术突破。
一是全球首创的拼接变形镜面主动光学技术。我们是第一个“吃螃蟹”的——用24块1.1米对角线尺寸的六角形小镜拼接成5.7米×4.4米主镜，背后888个高精度促动器可实时调整镜面形状，面形精度达三千分之一头发丝，形成连续动态曲面，就像波浪一样。
二是前所未有地在一架望远镜中采用了两块拼接镜面，另一块6.7米×6.1米镜面同样采用37块小镜拼接。当我第一次在国际会议上报告这个方案时，国外专家大多是一种觉得我们实现不了的质疑旁观态度。直到后来的一次国际会议上，我展示了我们已经拼接完成的两面镜子的照片，全场爆发出长时间的热烈掌声。那个场景我至今都忘不了。到现在，全球都没有出现第二台同类望远镜。
三是分小区并行可控式光纤定位技术。在大焦面布置4000个独立小区，每个小区有一根由微型机械手控制高精度移动的光纤。这些微型机械手可在几分钟内将所有光纤同时对准各自的目标天体，一次曝光最多能获取4000个天体的有缝光谱。与国际上已有的光纤定位方法相比，其观测效率大幅提升，运行费用大大减少。LAMOST的建成极大推动了全球天文发展，激发了国际上多项大规模光谱巡天计划，其分小区并行光纤定位技术更被多国仿效。
锚定光谱巡天更长远目标
记者：面向未来，您和团队的核心攻坚目标是什么？
崔向群：核心目标很明确。已经抢占的制高点要牢牢守住，还要向更高的制高点发起冲击。现在欧美国家都在规划更大口径、更大规模的下一代望远镜，国际竞争非常激烈，我们绝不能停下脚步。
本世纪天体物理学的前沿研究，依然需要更大规模的光谱巡天。光谱相当于天体的“DNA”——通过光谱，我们能知道这个天体的物理化学信息，研究天体的物理本质、结构和演化。光谱数据越多、越精确，我们对宇宙的理解就越深刻。
具体到工程上，我们首先要全力推进LAMOST的升级，实现同时观测上万天体光谱，进一步提升观测性能和效率。目前LAMOST中国科技大学光纤定位技术团队已经将光纤定位单元发展到更小的尺寸，可以将LAMOST的光纤数增至万根以上。此外，还要把AI深度融入望远镜的运行维护。整个望远镜系统上有成千上万个元器件，包括传感器、促动器、光纤单元、电机、光谱仪等，利用AI对这些元器件进行实时监测，可以实现望远镜的智能化运行。
我们更长远的目标是研制同时观测3万个天体光谱的12米口径大视场超大规模光谱巡天望远镜ESST，获得上亿天体的光谱，使我国站上光谱巡天下一个更高的高地。
记者：我国大科学装置应如何进一步自主化发展？
崔向群：我们一直在稳步推进核心部件研发，装置整体性能也在持续升级。目前部分特殊材料、精密元器件依旧需要进口，这说明我们的研制工艺体系还有待提升。我们也要主动布局前沿技术，减少对外依赖，以重大科研项目反向带动国内产业技术进步。
大科学装置兼具科学前沿与技术创新双重属性，因此，我们既要坚持技术创新，也要前瞻布局科研方向，产出高水平原创成果。
此外，我们将坚持开展国际合作，包括以我为主的国际合作，依托大规模光谱巡天优势，布局新一代观测设备，不断突破现有认知，奔赴宇宙深处。天文领域具备良好的国际合作基础，我们将在国际学术平台上持续发布光谱观测数据，开展学术交流，积极寻求深度协同合作机遇。
【人物档案】
崔向群，天文光学和天文望远镜专家、中国科学院院士、国家重大科技基础设施大天区面积多目标光纤光谱望远镜（LAMOST/郭守敬望远镜）总工程师。获2项国家科技进步奖二等奖、3项江苏省科学技术奖一等奖、1项江苏省科学技术奖二等奖、何梁何利科技进步奖、中国科学院杰出科技成就奖，获国家杰出专业技术人才、全国三八红旗手称号。编号为511238号的小行星被命名为“崔向群星”。
【致青年科技人才】
LAMOST的成功，离不开两种宝贵的文化传承：一是王绶琯院士提出的“天体物理学家+天文仪器专家”的“乒乓球双打”，二是“用同样的钱做更高水平的事”的创新文化。
现代大科学时代，学科交叉日益深入。尽管分工越来越细，但分工不等于分家。仪器专家要了解科学需求，观测科学家要熟悉仪器，只有像双打选手一样互相补位、默契配合，才能攻克重大科学难题。
更要传承老一辈敢为人先的创新精神。天文是追求极限的学科，我们要通过技术和方法的创新看得更远、更暗、更准。
现在国家高度重视科技发展，你们赶上了好的时代。希望大家热爱科研、全身心投入，在各自领域做出人生亮点。国外同行曾对我说“Make your life interesting”。我也将这句话送给你们。
——崔向群
原标题《中国科学院院士崔向群：布局更大规模、更高智能的下一代地面望远镜》