知乎的朋友们，大家好！我是来自中国科学院高能物理研究所高海拔宇宙线观测站“拉索”实验团队的陈松战，非常荣幸参加这次活动并回答吴学兵老师的提问。“如果未来科技让望远镜继续发展，我们还能看到什么？”以我有限的知识，这个问题有些过于宏大，我不一定能够回答好，但是作为一名科技工作者，我还是希望以微薄知识尽力畅想对未来天文观测的展望和期许，为广大知友提供参考。渺渺星空，浩瀚宇宙，人类自古就对天空充满了好奇，试图发展各种探测手段来探索宇宙的奥秘。科学发展至今，人类对宇宙的探索可以归结为四种信使：电磁波、宇宙线、中微子和引力波。首先介绍一下我了解到的这四个方面的天文望远镜的概况。

“如果未来科技让望远镜继续发展，我们还能看到什么？”以我有限的知识，这个问题有些过于宏大，我不一定能够回答好，但是作为一名科技工作者，我还是希望以微薄知识尽力畅想对未来天文观测的展望和期许，为广大知友提供参考。

渺渺星空，浩瀚宇宙，人类自古就对天空充满了好奇，试图发展各种探测手段来探索宇宙的奥秘。科学发展至今，人类对宇宙的探索可以归结为四种信使：电磁波、宇宙线、中微子和引力波。首先介绍一下我了解到的这四个方面的天文望远镜的概况。

电磁波是普通大众最为熟悉部分，但是也是覆盖范围最广的一个，频率从低于0.01Hz到超过1030Hz，根据频率不同可以进一步分为射电、红外、光学、紫外、X射线和伽马射线等。人肉眼可见的光学波段在整个电磁波中只占据很小一段，但是人类在很长的历史间只能依赖肉眼观测星空，直到1609 年伽利略发明了光学天文望远镜，才开启了以科学观测为基础的现代天文学。1940 年射电望远镜的出现，开启了以全电磁波段 (包括射电、红外、光学、紫外、X 射线和伽玛射线) 观测为基础的当代天文学时代。射电观测与 1962 开始的 X 射线观测和1967年开始的伽马射线观测将天文研究拓展到了非热天体辐射及相应的高能过程。

目前电磁波方面的望远镜非常多，是我们探索星空和认识宇宙的主要依赖。国际上比较知名有宇宙微波背景辐射普朗克望远镜（Planck）、近红外詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）、光学哈勃空间望远镜（HST）、盖亚全天天体测量干涉仪(Gaia)、钱德拉X射线天文台（CXO）、费米伽马射线太空望远镜（Fermi）等等。我国比较著名的望远镜在射电波段有位于贵州的500米口径球面射电望远镜(FAST)，在光学波段有位于河北兴隆的郭守敬望远镜(LAMOST），在X射线波段有空间的慧眼(HXMT)和爱因斯坦探针(EP)，在伽马射线波段有位于四川稻城的高海拔宇宙线观测站(LHAASO)。值得指出的是2021年LHAASO发现银河系内12个能量大于100TeV的超高能伽马射线源，开启了超高能伽马天文学时代，将电磁波的观测窗口向更高频率进行有效拓展，使得我们能够一睹宇宙的超能一面。

引力波是物质和能量的剧烈运动和变化所产生的一种物质波，1916年，爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在，2016年美国的激光干涉仪引力波天文台(LIGO) 首次探测到恒星级双黑洞并和的引力波，开启了引力波天文学。目前中国科学家也提出了“天琴”与“太极”两个空间引力波探测计划，希望拓展引力波的探测频率范围至低频区。非常值得提及的是2023年FAST也基于对脉冲星的测量间接首次观测到纳赫兹引力波存在证据，可能是由超大质量黑洞合并而引发。但是由于引力波产生的条件，目前引力波的探测也仅限于探索宇宙中致密天体并和现象。

宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子，主要有各种原子核组成，包括少量的电子，1912年由奥地利物理学家赫斯发现。由于星际磁场对宇宙线的偏转影响，人类很难直接推断出宇宙线起源天体，但是宇宙线是人类目前能够获取太阳系以外唯一的物质样本，而且宇宙线是组成宇宙基本成分之一，与暗能量、暗物质、天体物质、气体与尘埃物质并列，在星系的演化过程中发挥着不可或缺的重要作用。目前国际上比较著名的宇宙线望远镜在空间有丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪（AMS）和中国的“悟空”（DAMPE），地面望远镜有LHAASO（LHAASO既是伽马射线探测器，也是宇宙线探测器）和位于南美的3000平方公里极高能宇宙线探测AUGER实验等。宇宙线实验的核心科学问题是破解宇宙线这种极高能粒子的起源和加速之谜，另外，宇宙线的探测也是目前探索暗物质的热门方向。

中微子是穿透力超强的中性基本粒子，在星体演化和超新星爆炸中扮演重要角色，可以用于探索星体内部深处和宇宙深处的天文现象。因为其超强的穿透性，极难探测，目前望远镜主要借助天然大容量的水或冰进行探测。在低能区有日本的超级神冈中微子探测实验（Super-K），其曾探测到太阳辐射的中微子和大麦哲伦云中超新星1987A爆发时产生的中微子；在高能区，目前主要是南极冰层中1立方公里的冰立方(IceCube)实验，目前已经探索出高能中微子探测技术，探测到宇宙中的弥散中微子，并在几个天体中发现高能中微子迹象，但是很遗憾至今还没有探测到一个确定的高能中微子辐射天体，所以高能中微子天文目前仍未真正开启。目前高能所LHAASO团队也提出了未来高能水下中微子望远镜计划(HUNT)，希望将探测器规模由现有的1个立方公里提升至30个立方公里，从而真正打开高能中微子这一天文窗口。

正是由于各种天文望远镜的不断发展，我们探索宇宙的窗口越来多，我们了解到的天文现象越来越多，对同一天文现象获取信息也越来越丰富，用现在天文界时髦的话，天文学研究已经迈入了多信使时代。高能所的张双南老师在介绍引力波发现时，曾有个形象比喻，电磁波是人用眼睛看，而引力波相当于人用耳朵听。按此比喻再拓展一下，那么我认为宇宙线作为人类获取太阳系以外唯一的物质样本，对其探测相当于人用舌头品，而中微子具有几种味道，对其探测相当于人用鼻子闻。总结起来，人类对宇宙的探索是要达到耳聪目明、舌尖鼻灵。

有了前面四种信使的基本介绍，我们再谈谈未来技术的发展。不管是哪种信使的探测，探测器的性能都有两个重要指标：灵敏度和角分辨率。未来望远镜技术发展除了拓展探测频率或能量范围外，主要围绕这两点前进。在我参与LHAASO实验规划之初，高能所的曹臻老师，也是LHAASO的首席科学家，他经常给我们说的是，“天文望远镜只要把性能提升到一定程度，我们总能看到宇宙中新的现象”。多次历史经验表明，每次望远镜技术的突破，总能给人类揭开宇宙新奇的一面，这也是天文观测者不断发展望远镜的源动力。

灵敏度就是望远镜能观测到的最弱天体的亮度，灵敏度越高，能探测到的星体就越多，比如人肉眼的灵敏度就是能看到6等星的亮度，在此灵敏度下可看到夜空的星星约为数千颗，再暗的星就需要借助望远镜，目前借助望远镜，人类看到数以百亿计的星星。但是不同信使和不同波段技术发展并不均衡，其观测的星星数目有很大不同，在高能伽马射线波段，目前观测到的天体达到了七千多颗；在LHAASO打开的超高能伽马射线波段，目前才有四十多颗；在引力波方面，目前探测到百余事件；在中微子方面，在低能才两个天体，高能方面还没有一颗确定天体。不管是那种波段，那种信使，目前看到的天体数目仍然是宇宙中的冰山一角，有人估计整个可观测宇宙中可能包含约2万亿个星系，而每个星系平均有1亿颗恒星，而每个星星都自己独特的一面，其演化也会呈现多姿多彩。随着未来技术发展，我们看到的星星数目会越来越多，超预期的新的天文现象也会不断涌现，探测距离也会越来越远，同时也会探测到一些未知的短时间暴发现象。不同信使和不同波段看到的天文现象也不同，目前射电、X射线和伽马射线观测到非热天体现象明显就不同于光学观测到的热辐射天体，非热现象主要起源于极端致密、极端剧烈或极端强磁场天体，而引力波看到的天体也明显不同于电磁波段看到了天体，我相信未来高能中微子这一窗口打开之后，人类也会观测不一样的宇宙新现象，使得人类对宇宙的了解也更加丰富多彩，对宇宙的过去与未来也更加清晰。

角分辨率表征探测器成像的清晰度，一般人眼角分率为1角分（即1/60度），相当于能够看到100米远处3厘米长的物体，目前角分辨率最好的望远镜是基于甚长基线干涉的射电望远镜，角分辨率可以到1个毫角秒以下，在光学波段的HST望远镜角分辨率为50毫角秒，在X射线波段CXO望远镜为500毫角秒，伽马射线波段最好达到几个角分量级，宇宙线和中微子的角分辨和伽马射线差不多，而且引力波的角分辨要差很多，在几度和几十度量级。其实在这样的角分辨率下，我们对很多遥远的天体来说仍然远远不够，以最好的0.1毫角秒的分辨率来估计，对于1kpc远的天体，其分辨尺度为1500万公里，约为太阳直径的10倍长，对于更远的河外天体，距离都在Mpc以上，其分辨尺度更大。未来随着望远镜技术发展，角分辨率将会逐步提高，我们对宇宙的观测的也会越来越清晰和真切。

2021年Science杂志发布了《125个科学问题：探索与发现》 ，其中天文方向有23个，包括宇宙的形状、宇宙的构成、宇宙的未来、大爆炸的开始、宇宙中的生命体、宇宙线的起源、宇宙高能中微子起源等等。随着望远镜技术的发展，我们将会看到更多令人惊奇的宇宙新现象，对宇宙及各类天体演化的认识更加深刻，并逐步揭示这些困扰人类多年的天文难题，当然，随着知识的丰富，我们对宇宙也将会面临更多新的问题，而这些科学问题也是驱动人类不断进步的动力。这些天文的探索也会推动我们对自然界基本物理规律的研究，进而推动航空航天技术的进步，我也憧憬未来有一天人类能够乘坐飞行器自由奔赴星辰大海、遨游宇宙。