一台32亿像素的相机，一次拍下50万个星系

50 万个星系，装进了一张照片。

7 月 31 日，位于智利的 Rubin 天文台发布了它的第一张科学影像：一片名为 COSMOS 的天区里，挤着超过 50 万个星系和 5 万颗恒星。拍下它的，是地球上最大的数码相机——32 亿像素、重约 3 吨，比一辆小汽车还大。

展开之前，笔者先给一个参照系：你手机里的摄像头，主流是 5000 万像素。这台相机的像素是它的 64 倍。它一张照片覆盖的天区，相当于 40 个满月并排铺开；想完整看清这张照片，得用 380 多块 4K 电视屏幕拼在一起。

哈勃看了 20 多年的地方，它上来就扫了一遍

COSMOS 是全天最有名的一小块天区，位于六分仪座方向。它出名是因为位置巧：正好避开银河系的盘面，前景里的恒星和尘埃很少，望远镜可以一路看到极深极远的地方。哈勃太空望远镜从 2003 年起就在这里深耕，20 多年间，全世界的顶级望远镜轮番对准它，从射电到 X 射线各波段拍了个遍。

Rubin 这一次，等于把这块”老地盘”重新扫了一遍：把几百次观测叠加成一张深场图，一次端出 50 万个星系。

图：Rubin 天文台拍下的 COSMOS 天区深场图。画面里密密麻麻的光点，绝大多数是星系，不是恒星。来源：Rubin Observatory / NOIRLab

50 万是个什么概念？一个星系里通常有上千亿颗恒星。也就是说，这张照片里每一个勉强能看清的光点，背后都是上千亿颗恒星挤在一起。照片里能看到旋涡星系的悬臂、光滑的椭圆星系、正在碰撞扭曲的合并星系，还有来自极早期宇宙的暗红星系。

图：深场图中选出的星系特写，可以看到旋涡星系、椭圆星系和正在合并的星系。来源：Rubin Observatory / NOIRLab

这里笔者想补一句客观的对照：论单张照片的深度，哈勃依然更强，它能看到更暗的天体；Rubin 的强项是广和快——一张照片覆盖的天区是哈勃主相机的上百倍，还会反反复复拍同一片天。一个挖得深，一个扫得广，两种能力正好互补。

为什么非要造一台 3 吨重的相机

答案藏在它的名字里。天文台以天文学家 Vera Rubin 命名——上世纪七八十年代，她发现星系外围的恒星转得太快，按已知物质的质量根本”拽不住”它们。她给出的解释是：宇宙里存在一种看不见的物质，就是暗物质。如今暗物质约占宇宙物质总量的 85%，人类却至今不知道它是什么。

暗物质的证据来自看，但要验证它、测量它，需要看得足够多、足够久。Rubin 的核心任务叫 LSST——时空遗产巡天，计划用 10 年时间把整个南半球的天空每 3 到 4 个晚上完整拍一遍，给宇宙做一部 10 年的延时电影。相机的传感器被制冷到零下 100 摄氏度压低噪点，最前面的镜头直径约 1.5 米，配 6 个不同颜色的滤光片轮换。每次曝光约 15 秒，一个晴朗的晚上要拍上千张。

它装在一台口径 8.4 米的巡天望远镜上，选址在智利北部海拔 2682 米的 Cerro Pachón。那里一年有约 300 个晴朗夜晚，空气干燥、透明度高，是地球上最适合巡天的地方之一。

图：LSST 相机在 COSMOS 天区反复拍摄的足迹叠加示意。反复拍同一片天，才能看出天体的变化。来源：Rubin Observatory / NOIRLab

这部”电影”的用处，远超暗物质本身：

• 暗能量。宇宙在加速膨胀，是谁在推它？答案可能藏在几十亿个星系的位置和形状变化里。
• 小行星预警。10 年里它预计会发现约 620 万颗小行星，绝大多数直径大于 140 米的潜在威胁天体都有望被提前锁定。防御小行星的第一步，是知道它在哪里。
• 超新星等暂现天体。恒星爆炸、黑洞撕碎恒星这类转瞬即逝的事件，过去常常来不及看就错过了。
• 银河系结构。它还会顺带数清我们自己星系里的几十亿颗恒星。

这是一次预览。这次发布的 EDP2 数据覆盖约 3000 平方度，相当于可见南半球天空的六分之一；50 万个星系，只是正式巡天的零头——10 年下来，LSST 预计会记录约 200 亿个天体。

天文这门学科，正在变成数据科学

说说数据量。这台相机每晚产生约 20 TB 数据，相当于几千部高清电影；10 年累计是 PB 级（1 PB 约等于 100 万 GB）的数据库，装着 200 亿个天体每一次的亮度变化。

这个量级，人眼已经装不下。过去天文学家的工作方式是看照片，如今 20 TB 一晚上，人看不过来，也看不完。天体分类、异常检测、超新星报警都得靠算法自动完成，天文学家的日常变成了训练模型、审查异常、设计下一步观测。Rubin 团队这次发布，同时把整套数据处理流程完整跑了一遍，让科学界提前检验工具、磨合流程，为 10 年长跑做准备。

对普通人来说，这场数据洪水有两层意义。其一，小行星预警会因此上一个台阶，这是少数几个直接关系到保护地球的天文项目。其二，按照 Rubin 的数据政策，这批数据在两年专有权期满后会向公众开放，任何人在家都能下载这 200 亿个天体的目录。十年前，这难以想象。天文数据正在从少数机构的资产，变成全人类的公共品。

20 年波折，换来一张照片

客观地说，这台相机走到今天并不顺利。项目从立项到出图花了 20 多年，预算比最初估算翻了一倍多，中途多次延期，一度被讨论是否应该取消。这张 50 万星系的照片，是无数轮评审和争议之后的结果。

它也是一份献给智利的礼物。发布当天，Rubin 团队把这张图献给了科金博大区的居民——那片地区刚经历严重的风暴。安第斯山脉上的这片高原，几十年如一日地支撑着人类最前沿的观天事业。

50 万星系只是热身。接下来 10 年，这台 3 吨重的相机会在每个晴朗的夜晚准时开工，把宇宙的变化一段一段记录下来。人类第一次有能力给整个可观测宇宙拍一部电影，单是这一点，就值得期待。

参考链接：

• Rubin 天文台新闻：Rubin Observatory’s first LSST Camera release
• HN 讨论 (item?id=49183079)
• SLAC 新闻稿：DOE-NSF Rubin Observatory opens a deep window on a famous cosmic field
• Phys.org 报道：Rubin Observatory opens a deep window on a famous cosmic field