中国建造首个大型太空光学望远镜，看它将如何科学“巡天”

1990年，哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope，HST）发射升空，从此开启了人类对宇宙的新认知。2021年的12月25日，哈勃望远镜继任者，新一代空间望远镜——詹姆斯·韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope, JWST）发射升空，前往更遥远的宇宙深空。我国无数的天文学家翘首以盼：何时我们也会有一台属于自己的空间望远镜，用属于中国的深空之眼探视宇宙？令人振奋的消息随着我国“天宫”号空间站开始发射升空一道传来——我国自主研发建造的光学空间望远镜预计将于2024年前后投入科学运营。

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我国自主研发建造的光学空间望远镜全称是载人空间站工程巡天空间望远镜（Chinese Survey Space Telescope，CSST），也可简称“巡天”。望远镜自2010年立项概念提出已历时十多年。“巡天”设计口径约为2米，观测波段涵盖近紫外、可见光及红外等。目前规划在2024年左右发射升空并投入运营，届时将与天宫号空间站的共轨飞行，进行宇宙深空观测。

图1：左中右分别为目前在轨的哈勃空间望远镜、刚刚发射升空的詹姆斯·韦伯空间望远镜（概念图）和中国巡天空间望远镜（概念图，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）。

图2：中国巡天空间望远镜示意图（图源：http://www.bao.ac.cn/csst/）

在介绍巡天之前，我们首先要回答一个问题：为什么有那么多地基望远镜了，还要发射空间望远镜？

我们知道，各国已在地面上建造了一批大口径的光学望远镜，比如夏威夷莫纳克火山多个10米级的望远镜（双子座望远镜Gemini 8m, 凯克keck 10m）、比如在建或规划当中的数个20米(GMT)、30米 (TMT)，40米(ELT)。而对于空间望远镜，运行多年的哈勃口径仅为2.4米；刚刚升空的韦伯口径虽然达到6.5米，但和这些地面上的“巨无霸”相比，空间望远镜在观测口径上毫无优势可言。

之所以将口径相对较小，但造价昂贵的光学望远镜发射升空，最主要的目的是为了避开地球大气对天文观测带来的不利影响。地球大气的湍流会严重影响遥远天体的成像分辨率。地基望远镜的分辨率取决于望远镜口径和大气视宁度中的较大者。 以550nm波长，20cm望远镜为例，角分辨率θ=1.22λ/D 0.7角秒 , 夏威夷的平均视宁度大致为0.8角秒，最好的时候大致为0.3角秒，不过这样的时间很少，也就是说超过二三十厘米的望远镜，角分辨率是由大气视宁度主导的。地面上更大的望远镜在观测暗弱天体方面有优势，但是角分辨率并不会更好。此外，地球大气的各种成分也会吸收宇宙天体的部分红外波段辐射，导致天体的观测亮度下降。另外，光污染也是地面望远镜无法回避的另一个问题。将望远镜搬至外太空，就可以很完美的避开这些影响，图3展示了大口径的地面望远镜和哈勃对同一天体进行地观测的图像，大气干扰使得天文学家无法精确得到最外一圈引力透镜导致的环状结构。

图3：左右图分别为地面望远镜（凯克，10米）和太空望远镜（哈勃：2.4米）对同一颗超新星遗迹引力透镜现象的观测。（图源：NASA/ESA/Hubble & W.M.Keck Observatory）

作为国内第一台空间望远镜，巡天和哈勃口径接近，观测波段也交叠，那么我们的空间望远镜是否就是在走哈勃的路呢？肯定不是的，与哈勃比，CSST有自己独到的目标和优势。

（1）首先，巡天在观测波段和哈勃类似，都是观测近紫外、可见光、近红外的光学望远镜。而韦伯的主要观测波段是红外波，不覆盖可见光波段。虽然巡天与哈勃观测的波段相近，但其实我们与哈勃工作模式有所不同。

首先是科学目标不一样。天文观测通俗来讲可以分为两类，一类是小视场的精细观测，另一类是大视场的巡天观测。哈勃做的就是对各类天体进行精细的成图观测，获得天体的精细结构。因为是研究单个天体，需要尽可能观测到天体的丰富细节，因此这类观测需要望远镜具有较高的分辨率和长时间曝光，如此才能获得精确的结构。数十年来，哈勃观测了无数的天体、星云、星团和星系的丰富细节，大大拓展了人类对宇宙天体的认知范围。

与小视场高分辨率精细观测不一样，我们的空间望远镜要做的是大视场巡天观测。所谓的巡天观测，是对尽可能大的天区进行天体大规模类似“人口普查”的系统统计性工作，获取宇宙空间中天体、星团星系诸如空间分布、亮度统计等样本信息，进而勾勒出大尺度宇宙空间结构，方便天文学家研究星系或者宇宙演化，探索暗物质分布等等。与对单独天体的精细观测相比，巡天观测是从另一个角度帮助我们认识更全面更系统的宇宙，这也是我国空间望远镜“巡天”这个名字的由来。图4展示的就是巡天观测（左）揭示的银河系大尺度结构以及哈勃对大麦哲伦云中的超新星遗迹做的精细观测（右）。形象而言，假如说宇宙的某块天区是一头大象，那么哈勃的一次观测是看清大象肌体的一根毛发，而我们巡天的目标则是看清这头大象的五官四肢。哈勃做的是“窥一斑”，巡天要的则是“知全身”。

图4：左为Gaia对银河进行的巡天观测(图源: ESA/Science & Exploration/Space Science/Gaia)；右为哈勃对超新星遗迹SN 1987A的精细观测(图源：ESA/Hubble , M. Kornmesser)

（2）在口径一样的情况下，要实现“知全身”的目标，我国的“巡天”相较哈勃的另一大特色就是大视场、短曝光。所谓的视场，可以简单理解为望远镜一次观测可覆盖的天区角度范围。视场角越大，那么看完某片天区的效率就越高。以哈勃2009年升级的超广角镜头WFC3为例，它的增持使得哈勃视场达到了160角秒X160角秒。而我国“巡天”初始设计的视场角就达1.1个平方度，比哈勃大出300多倍。这也就意味着“巡天”普查完一片天区的效率，是哈勃的十万倍（以矩形天区为例）。这对于观测时间及其宝贵的天文望远镜而言，在相同成本下，这种大视场观测是最佳选择。在保持大视场的前提下，“巡天”也保持了高分辨率的重要性能。同样以升级的WFC3为例，哈勃的单像素分辨率为0.04角秒，而“巡天”在尽可能扩大视场角的同时，将像素辨率保持在了0.074角秒，与哈勃相差不大。

（3）作为太空望远镜，与哈勃的“孤身独行”不同，我国的“巡天”是与未来的“天宫”空间站共轨飞行的。也就是说，在“巡天”绕地飞行，窥探宇宙时，它的轨道上还有“天宫”作伴。为什么要设计成与“天宫”空间站共轨飞行呢，这其实是科学家们对未来望远镜的维护和升级的综合考虑。我们首先回顾下哈勃的维护方式。首先，需要在地面模拟好操作过程；然后派出工程师、科学家以及航天员乘坐航天飞机进入哈勃的运行轨道；之后用航天飞机的机械臂抓取固定望远镜；最后派出工程师和科学家出舱在外太空中进行作业。这种方式不论是从成本还是风险来说，都是极高的。这种高昂的成本也间接了决定了哈勃的退役。而未来的“巡天”完全不一样能够。未来，“天宫”可以专门挂载“巡天”望远镜。也就是说，当“巡天”需要维护或者升级时，我们的宇航员只须出“天宫”，即可进行大规模操作。这样一方面节约了巨大的成本，另一方面也维修过程更安全可靠，操作也更便捷了。

图5：左为宇航员“太空漫步”对哈勃进行维护升级；右为未来我国空间望远镜和“天宫”对接的概念图。

我们期待中国首个光学太空望远镜早日升空，为中国人民，为全人类打开新的宇宙窗口，揭开宇宙新的面貌！

作者：袁懋（国家天文台）

审稿：汤静（国家天文台）

文章由腾讯“全民爱科学”团队推出

本文来自科普中国