幾年前，在某次國際天文學會議上，一位國外天文學家的發言給中國科學院紫金山天文臺（以下簡稱紫臺）研究員李婧留下了深刻印象。
“那位學者說，在我們理解宇宙的過程中，一些突破性的重大發現往往源自于新儀器的產生，進而為我們打開一扇窗，拓展人類的認知邊界。”李婧說，“所以，天文學的發展離不開先進的科學儀器和強大的觀測設施。”
說起這段往事時，李婧正坐在香山科學會議第795次學術討論會的現場。此次會議的召開地是在青海省德令哈市，就在距離會場百公里外的懷頭他拉鎮雪山牧場，我國首臺全自主研制的雪山牧場15米亞毫米波望遠鏡（以下簡稱XSMT）項目正在緊張的建設中。
此次會議的主題便和這臺指向蒼穹的“新設施”，以及其背后的亞毫米波/太赫茲天文觀測密切相關。
特殊性質，特殊難題
如果不是特別嚴謹的學術表達，“亞毫米波”和“太赫茲”是可以劃“約等于號”的。
“亞毫米波指波長在0.1毫米~1毫米之間的電磁波，是波長的表達；太赫茲則指頻率在0.1太赫茲~10太赫茲之間的電磁波，是頻率的表達。”接受《中國科學報》采訪時，中國科學院院士、紫臺學術委員會主任史生才介紹說，這兩個波段幾乎重疊，后者只比前者稍寬一些，包含了部分的毫米波和遠紅外。之所以將兩者區分開來，是因為“‘亞毫米波’傳統上多用于天文學研究，但相關探測技術拓展應用時，則更喜歡用‘太赫茲’的說法”。
在天文觀測領域，亞毫米波屬于高頻射電；在低頻射電領域，我國已經或正在建設多臺天文望遠鏡，其中就包括著名的“中國天眼（FAST）”；如果將亞毫米波的頻率提升，則會進入光學紅外觀測領域。在此領域，我國也已經在運行或建設了多臺天文望遠鏡。
那么，我國有幾臺亞毫米波天文望遠鏡呢？
“正在建設的只有XSMT，除此之外，目前沒有一臺可常規運行的。”史生才直言。
事實上，即便在全球范圍，亞毫米波天文望遠鏡的數量也要少于其他波段的望遠鏡，這是由該波段電磁波的特殊性質所決定的。
據上海師范大學數理學院教授束城鋼介紹，相比于其他波段的電磁波，地球大氣對亞毫米波段電磁波的吸收特別強烈，這導致宇宙空間中的此類信號很難穿透大氣層到達地面。
這給地面望遠鏡的建設和觀測帶來了兩個挑戰。
第一個是在哪兒建。亞毫米波天文望遠鏡對于選址的要求極為苛刻。選址點必須同時具備海拔高、溫度低和大氣干燥等特征。根據衛星數據分析，全球范圍內滿足所有要求的優良臺址基本只有南北極、智利北部的阿塔卡馬高原，以及我國的青藏高原地區。
第二個問題是如何接收信號。即便在上述臺址，能穿透大氣到達地面的亞毫米波信號也非常微弱，需要更靈敏的接收和探測手段，目前主要借助超導探測技術。該項技術雖然很靈敏，但也一定程度上提高了望遠鏡的建設門檻。
既然這么難建，我們為什么還要建呢？
得天獨厚的優勢
如果將天文望遠鏡比作一雙雙觀察宇宙的“眼睛”，那么缺失的亞毫米波段天文望遠鏡無疑是目光中的一個“盲點”。至于這個“盲點”的存在對于我們究竟有著怎樣的影響，XSMT科學團隊的成員們是有著切身體會的。
2019年和2021年，借助多個國家的亞毫米波天文望遠鏡的聯合觀測，人類歷史上首次成功拍攝到了兩張黑洞照片，該事件成為了國際天文學界的一大“盛事”。但由于我國沒有一臺此類望遠鏡，在這場“盛事”中，我們在觀測設施上缺席了。
西湖大學理學院教授施勇告訴《中國科學報》，天文觀測領域，不同波段望遠鏡的觀測內容及科學目標并不相同，不同波段下的宇宙圖景也不一樣，這意味著亞毫米波段的觀測缺失，是不可能被其他波段的天文觀測所彌補或替代的。
更重要的是，亞毫米波雖極易被大氣吸收，但在宇宙中的穿透力卻非常強，這意味著人類可以借此看到宇宙更遠、更深的過去和更冷、更暗的地方。
“借助亞毫米波的探測手段，我們甚至有希望探知宇宙的第一代星系。”施勇說，這意味著亞毫米波可以算作人類觀測最遙遠宇宙的最有利手段之一。
除科學上的重要性外，我國發展亞毫米波天文觀測也具有得天獨厚的優勢——青藏高原本就是全球少數幾個適合亞毫米波觀測的地區，德令哈市附近的雪山牧場候選臺址更以其獨特的氣候環境，成為亞毫米波觀測的理想位置。
此外，正如前文所言，亞毫米波信號的接受有賴于超導探測技術，而史生才和李婧所在的團隊專注亞毫米波高靈敏度超導探測技術已有幾十年時間，并為國內外多臺毫米波/亞毫米波天文望遠鏡做出技術支持和貢獻，“可以自豪地說，我國這方面的技術處于世界先進甚至領先的水平。”史生才說。
“XSMT是最關鍵的”
正是基于上述認知，2022年2月，紫臺自主部署立項了XSMT項目。今年9月20日，該項目正式啟動工程建設。
“我們計劃2027-2028年建成并投入試觀測。屆時，它將成為我國首臺全自主研制且具有國際先進水平的亞毫米波天文望遠鏡。”李婧說。
雪山牧場的海拔超過4800米，其低溫、低濕的特點很適合亞毫米波天文觀測，但也給項目施工帶來了很大困難，加之風雪頻繁、太陽輻射、晝夜溫差等自然因素干擾，工程建設的難度可想而知。
不過，這些并不是建設團隊最棘手的難題。
“很多建設本身的難題我們可以克服，但有些問題單憑我們項目團隊卻很難解決。”李婧坦言，目前他們面臨的最大難題在于基礎保障與支撐建設。
她解釋說，由于望遠鏡的選址區域是無人區，導致路、電、網等基礎設施都需要從零開始，而要完成這些工作，地方政府的幫助和支持必不可少。
“在建望遠鏡這件事上，當地政府已經幫了我們很多，但我們還需要更多的支持，特別是在道路和供電方面。”李婧笑著說。
不過她也坦言，對于他們團隊來說，目前遇到的諸多困難也是一次難得的“鍛煉機會”。
“史院士經常說‘XSMT 是最關鍵的’，因為我們在建設以及后期運行這臺望遠鏡的過程中，所有的經驗和教訓都將成為未來建設更大的亞毫米波天文望遠鏡的寶貴財富。”李婧說。
對此，參與與此次香山科學會議的中國科學院院士、中國科學院南京天文光學技術研究所研究員崔向群也表示，15米亞毫米波天文望遠鏡并不應成為我國相關建設的“終點”，而應是一個重要且值得期待的“起點”。
她告訴《中國科學報》，XSMT一旦建成并投入使用，后續的建設方向有兩種選擇，一是建設更大的50米級口徑單天線亞毫米波望遠鏡；二是建設干涉陣。至于最終選擇哪條路，目前還在論證中。
不過，在此次會議上，與會學者更傾向于前者，而50米級亞毫米波天文望遠鏡的一旦建成，“那絕對是國際領先的亞毫米波觀測設施。”李婧說，“打個不太準確的比喻，那相當于亞毫米波段的FAST””
此外，亞毫米波技術的拓展應用也同樣值得被期待。
比如在2024年10月，紫臺團隊牽頭利用一臺50厘米口徑的亞毫米波天文望遠鏡，成功實現了1.2公里距離太赫茲頻段的高清視頻實時無線傳輸。這是國際上首次將亞毫米波天文望遠鏡系統應用于太赫茲通信領域，驗證了其開展星地高容量通信的巨大潛力。
“相對于傳統通訊方式，太赫茲通訊擁有更大的帶寬，該技術一旦成熟，相當于將一條兩車道的公路擴展到了6車道甚至8車道，其對通信技術未來發展的意義不言而喻。”史生才表示，此外，相關技術還可以應用到醫學成像、量子計算等領域。
“總之，我們現在只是站到了亞毫米波技術和太赫茲技術應用的‘門檻’上。未來，這個‘門檻’我們是一定要邁過去的。”史生才說。
本文鏈接：探索宇宙，亞毫米波不應成為“缺失的遺憾”http://www.sq15.cn/show-11-26836-0.html
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