1999年1月25日
虚拟天文台

像“虚拟人”不是实体的“人”一样，虚拟天文台也不是实体的天文台，而是一个强大的、世界共享的天文数据库。要想说明它的起因和作用，让我们先从一座太空观测站说起。

来到美国新墨西哥州的阿帕奇山，可以看到一座规模宏大的天文台，这里有一个傲视太空的庞然大物十分抢眼，如 图1 所示。这座天文台叫做“斯隆数字太空观测站”，它以汽车企业管理学家艾尔弗莱德·斯隆的名字命名，以下简称“斯隆计划”。与一般天文台不同，它不仅是人类最大的地面巡天工程，也是目标最宏大的计划，项目的最终目的是要绘制3D宇宙图。

斯隆计划分成3个部分，第一部分要完成银河系附近20亿光年内的20万个星系测量；第二部分则要对更大尺度的宇宙区域进行观测，并对银河系的结构、起源和暗能量的本质进行深入研究；第三部分要在前两部分基础上，最终完成宇宙3D图的绘制。全部建成后，斯隆计划将要把探测的范围扩展到半径80亿光年内的所有发光星系。除此以外，还要对宇宙微波背景辐射和远古星系等进行分析研究。获得了整个宇宙的3D天图，人们将能直观地认识宇宙的形成、暗能量的作用以及星系在宇宙中的作用。迄今为止，在观测天文学上，这是一个令人振聋发聩的目标！

随着人类认识宇宙的尺度和范围不断加大，天文观测的目标已不再是个别的星体、星系和星团，而是旨在整个宇宙的图景，这就是直击宇宙的起源、形成和结构。斯隆计划标志着人类的天文观测进入了一个新阶段，这就是一个“广域巡天”和“局域精细”相结合的新时代。从斯隆计划所获得的天图可以证明，在宇宙物质的组成中，暗能量占了70%的绝大部分，而25%属于暗物质，只有余下的5%属于普通物质。此外，斯隆计划还发现了更为遥远的类星体，肯定了引力在宇宙形成中的重要作用，观测到银河系通过吞噬附近较小的星系使自己逐渐成长，也证实了我们所居住的星系就是这样形成的。到目前为止，斯隆计划已经获得了200万个天体的数据，捕捉到了300多个超新星的爆发，收集到了包括80多万个星系和10万个类星体的光谱数据。这些数据，为人类研究宇宙的大尺度结构开辟了道路。

进入21世纪，天文学研究遭遇到了一个过去从来没有的新情况，这就是海量信息所造成的大数据冲击。斯隆计划所获得的图片和数字，都采用的是高效率的快速扫描，这一高效、大量而快速获取资料的特征在极大地推动了国家间的协同研究的同时，也增加了大数据处理的难度。此外，人类瞄准太空的不仅是从地面，也不仅是斯隆计划，从哈勃和斯皮策空间望远镜，到钱德拉X射线观测台等，从射电到红外，从光学到紫外线乃至伽马射线，人类正在全空间、全波段上审视着太空，随着各种望远镜和观测设备的日夜观测，所积累的观测数据已经达到太字节（TB，1TB是10 ¹² 字节，即1000GB）的数量级，很快就会超过拍字节（PB，1PB等于10 ¹⁵ 字节，即1000TB）。面对如此海量的信息，一个重要的问题摆在了人们的面前，该如何访问这些海量的信息，已经成为全世界天文学家所面临的难题。

在这种形势下，一个天才思想应运而生。这就是由美国约翰霍普金斯大学的埃列克斯·斯扎雷（Alex Szalay）教授（ 图2 ）所提出的“虚拟天文台”（Virtual Observatory, VO）的设想。这一设想首次在 1999年1月25日 国际天文学联盟研讨会的论文集上刊出。斯扎雷认为，在当前互联网时代，由于获取资源和信息沟通的便捷，完全可以把全球范围内的天文研究资源彼此“无缝而透明”地连接在一起，通过先进的信息技术，形成数据密集型天文数据库、网络化的天文研究与科普教育大平台，免费供全球享用，一个虚拟天文台的思想由此诞生。

虚拟天文台这一天才设想提出不到一年，就得到了全球知识界的迅速响应。美国国家科学院天文学及天体物理学发展规划委员会，把在一线上的一些天文学家、天体物理学家以及计算机科学家聚集起来，共同推出了“新千年天文学和天体物理学发展规划”，在其中，把建立国家虚拟天文台（NVO）作为最优先项目。与此同时，美国计算机科学家、图灵奖获得者吉姆·格雷（Jim Gray）博士（ 图3 ）更提出了一项“广域望远镜”（“World Wide Telescope”，WWT）的应用软件。很快，世界著名网络巨擘也率先有了惊人的举动。2007年8月22日，“谷歌地球“添加上了一项叫做“谷歌天空”（“Google Sky”，GS）的新功能，它开发出了一个免费软件，帮助用户从海量天文数据中获取图像和数字信息。

谷歌的动作能如此之快，与它的研究团队里不少人都是执着的业余天文学爱好者不无关系。紧接着，不到一年以后，在2008年5月12日，素有“软件帝国”之称的微软，也推出了“广域望远镜”新版，作为对格雷博士的特别纪念。2007年1月28日，吉姆·格雷驾驶着自己的“顽强号”快艇，从旧金山驶向附近的费拉隆岛，在抛撒母亲骨灰的途中失踪，虽然人们在其后的5年中不断利用各种手段搜寻，却一直没有下落。对这位天才的逝去，同业者无不扼腕叹息。

在谷歌、IBM、微软等IT巨头的积极参与下，海量数据计算技术加快了研发进程。美国天体物理数据库、河外天体数据库、法国天文综合数据库等已经联合起来，网络时代天文学研究的“开放性”凸显，随着一个大规模的虚拟天文台研究模式的建成，天文学的研究方法发生了巨大的变革。

随着天文研究的热潮，斯隆计划也获得了直接的受益，仅到2011年底，关于这个巡天计划的成果已经发表了4000篇论文，获得了15万余次的引用，斯隆计划已经成为用户最多、产出最丰、影响力也最大的地面光学和红外观测工程。在2013年5月15日，上海天文台正式加入斯隆计划的第4期建设，计划在6年内，即到2020年7月止，对斯隆望远镜的如下3个计划：银河系结构、近邻星系的二维性质和高红移宇宙大尺度结构等前沿课题进行深入研究。

在谷歌和微软两大巨擘的支撑下，借助强大的数据库、网络技术和友好的用户界面，虚拟天文台为全世界的人提供了一种全新方式，打破了过去只有天文学家才能问津的专业壁垒，使天文观测资料走近世界每一个人。所获得的资料不只涉及普通望远镜可以看到的太空，而且包括来自哈勃空间望远镜（可见光波段）、斯皮策空间望远镜（红外波段）、星系演化探测器（紫外波段）、钱德拉塞卡观测台（X射线波段）、威尔金森微波各向异性探测器等观测资料。这些全电磁波段的资料，会使人获得用肉眼无法看到的情景，让你可以在无缝、透明的数字宇宙中随意漫游，在欣赏宇宙之美中，探索宇宙的奥秘。

至2009年，世界上已经有17个国家和地区响应了虚拟天文台计划。以中国科学院的天文台为首，正在研发的“中国虚拟天文台”已经成为“国际虚拟天文台”（IVO）的一个有机组成部分。中国虚拟天文台确定了如下实用目标：平台建设、国内外天文数据的统一访问、现有天文工具的虚拟天文台集成、天文设备的虚拟天文台集成与虚拟天文台的公众普及这5项实用目标作为发展重点。

科学无国界，知识无疆界，互联网造就了有史以来最大的知识群体，下一代的天文学家，将不仅是天文台里的观测者，或某些天文专业人士，还可能是其他领域的科学家、学者，也可能是教师、学生，业余天文爱好者，甚至可能是个“数据狂人”。他们的天文研究是公开在互联网上进行的，不再只是有了结论才可以发布论文，而是可以在网上贴出他们的早期结果，或某些推测性的假说，有分歧、有争论、有错误，甚至有外行人的幼稚见解，这就是天文学的研究网络化。在互联网这一强大引擎的推动下，21世纪的天文学研究将以“虚拟天文台”这一新形式全方位地迅速发展开来，它将成为学科开放的典范。

关键词： 斯隆数字太空观测站，虚拟天文台，广域望远镜，吉姆·格雷，Sloan Digital Sky Survey (SDSS)，virtual observatory，World Wide Telescope (WWT)，Jim Gray

图1： http://www.fnal.gov/pub/science/historical-results/

图2： https://en.wikipedia.org/wiki/Alex_Szalay

图3： http://www.computerhope.com/people/james_gray.htm YdG1to7424R72rWuxDoNv/cAcOPlvwKxi6i7SoAGO5scZcF7KGQoH3XrZP3XNRP0