不止探知第一代星系 亚毫米波技术撬动天文与通信双重突破

　　几年前的一场国际天文学会议上，一位国外学者的发言让中国科学院紫金山天文台(以下简称紫金山天文台)研究员李婧至今记忆犹新：“在人类理解宇宙的进程中，突破性重大发现往往源自新仪器，它为我们打开一扇窗，持续拓展认知边界。” 李婧深有感触，“天文学的进步，始终离不开先进科学仪器与强大观测设施的支撑。”

　　这番感慨的背后，是我国在亚毫米波天文观测领域的不懈追赶。近日，香山科学会议第 795 次学术讨论会在青海省德令哈市召开，会议主题直指百公里外怀头他拉镇雪山牧场上的一项关键工程 —— 我国首台全自主研制的雪山牧场 15 米亚毫米波望远镜(XSMT)。此刻，这座瞄准苍穹的 “雪域之眼” 正处于紧张建设中，即将填补我国在该领域的观测空白。

　　特殊波段：宇宙探索的 “难啃硬骨头”

　　在非严谨的学术语境中，亚毫米波与太赫兹可近似等同。中国科学院院士、紫金山天文台学术委员会主任史生才解释：“亚毫米波以波长定义，范围在 0.1 毫米至 1 毫米;太赫兹以频率定义，覆盖 0.1 太赫兹至 10 太赫兹，两者波段几乎重叠，后者仅稍宽，包含部分毫米波与远红外。” 两者的区分更多源于应用场景 —— 亚毫米波传统上聚焦天文学研究，太赫兹则更常用于技术拓展应用。

　　在天文观测的 “频谱版图” 中，亚毫米波属于高频射电范畴。我国在低频射电领域已有 “中国天眼(FAST)” 等重量级设施，在光学红外观测领域也布局了多台望远镜，但亚毫米波观测长期处于 “空白状态”。“正在建设的 XSMT 是我国唯一的亚毫米波天文望远镜，目前尚无其他可常规运行的同类设备。” 史生才直言。

　　即便在全球范围内，亚毫米波天文望远镜的数量也远少于其他波段，核心症结在于该波段的特殊性质。上海师范大学数理学院教授束城钢介绍，地球大气对亚毫米波段电磁波的吸收极强，导致宇宙中的信号难以穿透大气层抵达地面，这给望远镜建设带来两大核心挑战。

　　选址是第一道难关。亚毫米波望远镜对观测环境要求极为苛刻，需同时满足海拔高、温度低、大气干燥三大条件。卫星数据显示，全球仅南北极、智利北部阿塔卡马高原及我国青藏高原等少数区域符合要求。信号接收则是第二道考验，即便在最优台址，穿透大气的亚毫米波信号依然微弱，必须依赖高灵敏度的超导探测技术，这无疑抬高了项目建设的技术门槛。

　　中国优势：得天独厚的探索底气

　　明知建设难度极大，我国为何执意攻坚亚毫米波观测?答案藏在宇宙探索的 “完整性” 与中国的独特优势中。

　　如果说各类天文望远镜是观测宇宙的 “多元眼睛”，亚毫米波望远镜的缺失便是显著 “盲点”。这一空白曾让我国错失关键机遇 ——2019 年和 2021 年，人类首次拍摄的两张黑洞照片，均依赖多国亚毫米波望远镜联合观测，其中就包括阿塔卡马大型毫米 / 亚毫米阵列等设施，而我国因缺乏同类设备遗憾缺席。

　　西湖大学理学院教授施勇强调，不同波段望远镜的观测目标与科学价值各不相同，呈现的宇宙图景也存在差异，“亚毫米波观测的缺失，无法通过其他波段的观测弥补或替代”。更重要的是，亚毫米波虽易被大气吸收，在宇宙中的穿透力却极强，能帮助人类窥见更远、更古老的宇宙，甚至有望探知宇宙第一代星系，成为探索遥远宇宙的 “利器”。

　　我国发展亚毫米波观测，还拥有两大得天独厚的优势。地理上，青藏高原是全球少数优良台址区，雪山牧场海拔超 4800 米，低温低湿的环境堪称亚毫米波观测的 “天然实验室”;技术上，史生才、李婧团队深耕亚毫米波高灵敏度超导探测技术数十年，不仅为国内外多台毫米波 / 亚毫米波望远镜提供技术支持，更使我国在该领域达到世界先进甚至领先水平。

　　XSMT：攻坚雪域的 “关键起点”

　　2022 年 2 月，紫金山天文台自主部署立项 XSMT 项目;2025 年 9 月 20 日，工程建设正式启动，计划 2027 年至 2028 年建成并投入试观测。“届时，它将成为我国首台全自主研制、具备国际先进水平的亚毫米波天文望远镜。” 李婧介绍。

　　建设之路注定充满挑战。雪山牧场海拔超 4800 米，低温、风雪、强太阳辐射与巨大昼夜温差，给施工带来诸多不便，但这些并非最棘手的难题。“单纯的建设困难我们能够克服，最关键的是基础保障与支撑建设。” 李婧坦言，观测台址位于无人区，路、电、网等基础设施需从零搭建，离不开地方政府的大力支持。“当地政府已经提供了诸多帮助，这些困难对团队而言，也是难得的锻炼机会。”

　　在史生才看来，“XSMT 是最关键的”—— 项目建设与未来运行中积累的经验教训，将为我国后续建设更大规模亚毫米波望远镜奠定基础。中国科学院院士、中国科学院南京天文光学技术研究所研究员崔向群也认为，XSMT 不是终点，而是重要 “起点”。

　　据介绍，XSMT 建成后，我国亚毫米波观测将面临两大发展方向：建设 50 米级口径单天线亚毫米波望远镜，或搭建干涉阵，目前相关论证正在推进。与会学者更倾向于前者，“50 米级望远镜一旦建成，将成为国际领先的亚毫米波观测设施，打个不精确的比方，它就相当于亚毫米波段的 FAST”。

　　技术延伸：跨界赋能的广阔前景

　　亚毫米波技术的价值，远不止于天文观测。2024 年 10 月，紫金山天文台团队牵头利用 50 厘米口径亚毫米波天文望远镜，成功实现 1.2 公里距离太赫兹频段高清视频实时无线传输 —— 这是国际上首次将亚毫米波天文望远镜系统应用于太赫兹通信领域，验证了星地高容量通信的巨大潜力。

　　“太赫兹通信的带宽远大于传统通信方式，技术成熟后，相当于把两车道公路扩建成六车道、八车道，对通信技术发展的意义不言而喻。” 史生才展望，除通信领域外，相关技术还可广泛应用于医学成像、量子计算等领域，释放更大跨界价值。

　　“我们现在只是站在亚毫米波与太赫兹技术应用的‘门槛’上。” 史生才信心十足，“未来，这个‘门槛’我们一定要迈过去。” 随着 XSMT 项目稳步推进，我国不仅将填补宇宙观测的 “盲点”，更有望在相关技术领域实现多点突破，书写天文探索与技术创新的双重答卷。