三十年前对于中国天文的思考，今日是否应验？
鉴于80年代初中国当时的情况，我在国外想的比较多的就是：中国天文到底应该怎么走，同时也要考虑世界天文走势会是什么样子。我这个人比较善于想一些大问题，想一些战略性的问题。我当时从国际的发展情况出发，看到了一个苗头。在说这个苗头以前，先说回到天文研究的方法。
天文观测研究从方法论上大概分两类：一类是普查性质的，一类是精测性质的。所有的学科差不多都要做这两类研究，比如说地质探矿，肯定要全国性普查一遍，了解地下大概哪些地方有矿产，然后对有矿产的地方再做进一步深入研究。普查的主要目的是要研究整个系统的性质，对典型案例的研究那就要深入了。天文研究也是这样，如果要研究整个宇宙的性质，肯定就要对整个宇宙进行普查；如果对其中的特殊天体与典型天体感兴趣，就要做精测。
当时北半球跟南半球的两个施密特望远镜就是做普查任务的，天文上叫做巡天。这两个望远镜视场（能观测的区域）很大，而且做了蓝颜色（B波段）和红颜色（J波段）两个颜色的巡天。我在澳大利亚时，曾参加过南半球施密特望远镜的巡天工作。当时每张底片拍之前为了提高它的灵敏度，要做敏化处理，就是把底片放在暗箱里面，让底片在氮气里泡24小时。拍完照以后的底片显影也很费工夫，如果显影液不均匀，底片上的灵敏度就不一样。
为解决这个问题，天文学家特别发明了一种摇摆式的槽，把底片显影液倒在槽里进行摇晃，显影液在上面飘来飘去，这样显影就很均匀。一个显影后的底片出来后，天文学家还要认真考察底片有没有缺陷，要挑那些完全没有缺陷的底片作为巡天底片保存下来，而将其余的淘汰用于一般用途。
总的来说，天文学家花了很大力气做巡天底片，但是底片用起来很不方便，尤其是要对底片做定量处理的时候。因为底片除了量子效率不高以外，还有两个最大的问题：一个问题是它不是数字化的，很难用计算机处理，但这个问题可以通过底片扫描机来解决。最主要的问题就是底片的非线性响应。非线性响应是什么意思呢？光接触到底片以后，底片相应位置就会变黑，入射光强跟这个黑度之间的关系可以用特性曲线来表示。但实际上底片的黑度和入射的光强不成正比，这就是非线性响应。
当时的巡天底片很像字典。字典要花不少功夫来编，编完大家都要买。但是买完字典以后，天天拿着字典做研究工作的人恐怕非常少。这套巡天底片就变成了一个单位的底片库搁在那里作为资料，大家需要的时候才去查。据我所知，拿这些底片做全天研究工作的只有一个人——美国天文学家George Abell（阿贝尔），他利用这套底片先做了北半球的星系团表，也就是著名的阿贝尔星系团；后来南半球的巡天底片出来后，他又编了南半球的阿贝尔星系团表。
而整个天文界，用这么宝贵的底片，就做了这么一项系统性的工作。之后其他天文学家也没有做类似的工作，主要原因除了底片不好用以外，还是缺乏科学上的需求，当时科学上也没有对大尺度天文学的需求。
那么，直到上个世纪七十年代，天文学发展的战略方向是什么呢？当时，天文学家最希望的就是有一台4-5米级的反射式光学望远镜来做光谱观测。那个年代4-5米口径的望远镜已经是最大的了。今天我们做10米、30米口径的望远镜，那是因为我们至少在望远镜的技术上有突飞猛进的创新。当时用望远镜拍有缝光谱，每次只能观测一个天体。如果天体比较暗，或者你希望得到的谱分辨率比较高，就需要观测很长时间。
我曾经在澳大利亚观测一个类星体，要观测三个晚上，光谱的信噪比才足够。所以你想想当时全世界就5台大望远镜，一年也就观测几百个天体，怎么能够做大尺度天文学研究呢？这是不可能做到的。所以那个时候天文学家的兴趣主要是做恒星，因此恒星物理发展很快。可以专门去研究那些特殊的恒星和典型恒星，通过对它们的光谱观测来研究其物理性质。大部分望远镜都是做这类工作的，连观测星系的都不多，而且就算观测星系也是观测比较亮的，最远的星系还不到0.1的红移（距离地球13亿光年）。
上世纪六十年代天文学上有四大发现：类星体、脉冲星、星际有机分子和宇宙微波背景辐射。四大发现里类星体和微波背景辐射的发现是影响最大的。
类星体的发现打开了整个高红移宇宙研究领域的大门。现在我们普遍接受宇宙的寿命是137亿年，约等于140亿年。如果我们把140亿年归一化成100年，把宇宙整个进程都按100年来算。恒星就是宇宙年龄100年时的天体，那么红移为0.1的星系差不多90岁。所以类星体发现之前我们只能掌握90岁到100岁的宇宙信息。而类星体是当宇宙只有2岁时的天体。观测类星体就可以了解宇宙从两岁开始到100岁的信息。有这么大的时间跨度，要研究的问题就多了。
而微波背景辐射的发现则被认为是大爆炸宇宙学最关键的观测事实。大爆炸微波背景的辐射是相当于宇宙诞生后6分钟发生的。我们可以从宇宙诞生后的6分钟开始，一直研究到它的100岁。
这样一个变化就意味着我们天文研究在战略上要发生转移了。宇宙演化中提出的重要问题就包括宇宙到底怎么诞生、演化的？这些都是要了解的关键问题。哈佛大学天文学家赫克拉（John Huchra）和盖勒（Magaret Geller）在上世纪七十年代就开始用一个很小的1.5米望远镜来研究星系光谱。
通过一个一个拍星系光谱的方法，他共拍了大概2000个星系，并把这2000个星系的空间分布画出来。他发现星系在空间分布上很不均匀，有“长城”、“空洞”、“桥”这些结构。所以在这个时候，有远见的天文学家，应该就意识到整个天文学研究的领域要发生重大变化了。
应该说我当时在国际上比较早地预见到这个方向的发展，所以在1985年，我就提出来中国天文研究要不失时机地转向以大尺度、大样本为战略方向的研究。而且做这个方向的天文学研究，中国还不需要造4米级的望远镜，只要做一个大视场2米级的望远镜，就可以在世界上占有领先地位。这就是我在80年代初的时候想到的事情。
当然，世界上不光是我一个人想到，美国人也有同样的想法，美国的想法就是后来的斯隆数字巡天计划，建一个2.4米口径的望远镜，做大视场巡天研究。这两个计划当时我们互相都不知道，并行地在发展。我提出这个计划的时候，当时我们国家负责科学研究的最高领导是国家科学技术委员会主任宋健。他不知道从什么地方得知了我这个计划，非常感兴趣，就组织国家科委对这一巡天项目进行了论证。
科委论证以后，因为宋健要到欧洲去开部长级的科学技术合作会议，他就把这个项目带到欧洲跟欧共体讨论，后来被列入中国和欧共体的正式科技合作项目。所以我从1987年开始，就忙着做这件事情，负责望远镜的设计、找台址、国际谈判，在中国与欧洲之间来回奔跑。但后来因为一些原因，这个项目也被中断了，不过我对这个方向还不想放弃。
国家天文台兴隆站在上世纪六十年代进口了一台中等大小的施密特望远镜，通光口径是60公分，主镜90公分。这台望远镜自从安装以来总共就发表过一篇文章，这篇文章还是我写的，发表在《科学通报》1965年9月刊上。我对这篇文章的印象一直非常深，因为同一期刊登的还有陈景润的哥德巴赫猜想的证明摘要。我的文章和这篇文章发表在同一期上，我感到很荣幸。
陈建生院士在河北雾灵山为大施密特望远镜选址期间留影（1987年）
当时60/90公分这个施密特望远镜闲着没用，我就跟北京天文台台长说这个望远镜我们课题组“承包了”。台长同意了，我就开始对望远镜做全面改造。首先探测器要改成CCD（电荷耦合器件，图像采集和数字化处理的关键器件之一），但那时中国基本上没有CCD。我就派我的好朋友魏名智到美国加州大学Lick天文台CCD实验室去工作。通过他的合作，我们要到了一片不要钱的CCD，那已经是当时市场上最大的CCD了，2k*2k像素，但是是厚片的，量子效率差一点，只有40%左右。
然后，我们就开始改造望远镜，从望远镜的传动开始改造，到焦面仪器改成CCD，后来又发展了一套有中国特色的滤光片系统。过去滤光片都装在一个滤光片转轮上，使用时将滤光片转到光路上，不要的就排到光路外面。但是我当时要做的不是几个颜色，而是19个颜色，相当于获取有19个采样点的低分辨率光谱。有缝光谱观测一次只能拍一个天体，但用我这样的光度学方法，一次可获得视场内上千个天体的“光谱”。
19块滤光片装在转轮上挡光就很厉害。后来我就发明了一个滤光片系统，叫做“打字机”式，就像把滤光片放在“打字机”的端头。不用的时候“打字机”的臂就躺在镜筒上，所以不挡光，要用的时候把它举起来，放进光路上。施密特望远镜装CCD在国际上是第一家，所以尽管这个望远镜很小，完成不了做全面巡天的任务，但至少可以做一部分有特色的巡天。这个望远镜在国际上评价蛮高的，很多朋友来看了后就很积极参与。以前这台施密特望远镜自安装后只发表了一篇文章，我们改造后每年有将近20篇论文的产出。
我们做的星团赫罗图，被英国大英百科全书收录，作为标准图。这是很高的荣誉，因为赫罗图是恒星演化最重要的图。利用这套设备我们发现很多恒星演化初期产生的赫比格-哈罗（Herbig-Haro）天体，把世界上当时这类天体的样本翻了一倍。我们发现美国人发表在《自然》上一篇关于星系NGC5907的观测文章，他们认为不存在暗物质的问题。我们花了几十个夜晚的观测，把图片叠加起来，面亮度达到30等，与哈勃望远镜观测深度差不多。我们发现这个星系有暗的结构，引起国外的轰动。
我们还发现了很多小行星。小行星不是我们的主课题，当时因为在天文昏影和晨光这两段时间不适合做比较深的曝光，就拿来做小行星。我们做了三年小行星观测，没想到发现量在全世界排第三。我们用CCD和一套先进的寻找小行星的计算机程序，效率非常高。后来因为美国有一个专门的小行星望远镜运转起来了，我们就停止了小行星的项目。即便如此，我们三年里发现了2000多颗小行星，现在很多命名的小行星都是我们发现的。
这个望远镜到现在还在工作，已经观测了差不多三十年。最近又改去做超新星巡天，效率也很高，每年大概会发现50颗超新星。当时这个望远镜改造后，引起了台湾地区和美国一些天文学家的兴趣，来参加我们的合作，这就是所谓的BATC（Beijing－Arizona-Taipei-Connecticut）巡天。这套设备解决不了宇宙演化这样的大问题，但是培养了一批中国做大样本天文学的人才，他们是中国第一代会用大样本来做天文研究的人才。
BATC巡天的数据库也是中国第一个被法国斯特拉斯堡（Strasbourg）国际天文数据库收录的数据库。我在1997年后基本上不管BATC巡天的具体事务，因为那时我的社会任务太多了，曾担任全国人大常委、北京市政协副主席等，社会任务很繁重。我的接班人周旭把BATC巡天做的很好，做的比我还好。
BATC巡天二十周年学术研讨会合影（2013年）
说起我这一生，我觉得做的最重大的事情就两件事。第一件事就是对大样本天文学的贡献，应该说我在国际上还是很早预见到天文领域的方向变化，现在你们可以看到世界上都非常重视巡天工作了。美国十年规划里，排在地面天文学第一个优选项目，就是造一台8米级的地面巡天望远镜 LSST。
空间项目排在第一位的是做一台叫WFIRST望远镜，现在已经改名叫Nancy Grace Roman Space Telescope，也是大视场的红外巡天望远镜。目前 LSST已经基本快建好了，WFIRST的状态跟我们中国空间站望远镜状态差不多。欧洲最优选的项目也是大巡天，说明大家都已经看到了宇宙演化需要大样本。
除了类星体和微波背景辐射，还有两个对天文学发展影响很大的重大发现，一个是暗物质，一个是暗能量。暗物质实际上在上世纪四十年代就发现了，但天文界普遍认可的还是七十年代由Vera Rubin通过观测星系旋转曲线证实了暗物质的存在；暗能量是九十年代被发现的。
这两个发现当然更加大了对大样本天文学的研究力度。因为无论是暗物质也好，暗能量也好，都是一种大尺度现象，所以这些问题都变成世界最重大的难题了。在美国《科学》杂志“世界100大科学难题”排名中，暗物质、暗能量都是排在前列的，它们是全世界科学家都关注的问题。现在，大的巡天项目就像雨后春笋一样发展起来了。所以，我觉得研究方向的战略转移是一个很重要的事情，代表着整个学科方向的转变。
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