“飛天巨眼”，中國造?。ㄖ?mèng)“太空之家”——中國空間站建設記?）-全球微速訊

中國巡天空間望遠鏡在軌運行示意圖。

(相關(guān)資料圖)

航天員從天宮空間站出艙開(kāi)展巡天空間望遠鏡維護作業(yè)示意圖。

對2023年可能發(fā)生的世界科技熱點(diǎn)事件，多家國際主流媒體進(jìn)行了展望，均把中國空間站工程巡天望遠鏡（即“中國巡天空間望遠鏡”，英語(yǔ)簡(jiǎn)稱(chēng)“CSST”）列入其中，認為它的飛天將與美國發(fā)射新型火箭、啟動(dòng)小行星采礦任務(wù)等成為人類(lèi)探索或利用太空新的年度里程碑。

根據最新版的中國航天白皮書(shū)，在天宮空間站全面建成以后，我國將適時(shí)啟動(dòng)CSST發(fā)射、部署工作，開(kāi)展更加廣泛的天文調查。中國載人航天工程辦公室曾向外界表示，我國首個(gè)大型巡天空間望遠鏡計劃于2023年發(fā)射，開(kāi)展廣域巡天觀(guān)測，將在宇宙結構形成和演化、暗物質(zhì)和暗能量、系外行星與太陽(yáng)系天體等方面開(kāi)展前沿科學(xué)研究。

空間光學(xué)觀(guān)測領(lǐng)域將升起的新星

說(shuō)到天文望遠鏡，很多人第一時(shí)間想到的可能是“中國天眼”，即位于貴州平塘的500米口徑球面望遠鏡（FAST）。作為我國近年來(lái)建成的重大科技基礎設施，FAST以其超大的體量規模、優(yōu)異的探索能力和豐碩的初期探測成果收獲了超高的人氣，享譽(yù)海內外。與FAST相比，CSST目前的知名度雖然不那么高，但是對于業(yè)內人士來(lái)說(shuō)，它是一顆在光學(xué)望遠鏡開(kāi)展天文觀(guān)測領(lǐng)域正在冉冉升起的新星。

FAST與CSST之間除了知名度大小不同之外，當然還有諸多相異之處，其中最根本的區別在于它們分屬不同的天文望遠鏡類(lèi)型。

FAST是射電望遠鏡，接收的是天體發(fā)出的無(wú)線(xiàn)電波，而巨型球面鏡就是其接收無(wú)線(xiàn)電波的天線(xiàn)，它把微弱的宇宙無(wú)線(xiàn)電信號收集起來(lái)，然后傳送到接收系統中去放大，接收系統從噪音中分離出有用的信號，并傳給后端的計算機記錄下來(lái)。計算機記錄的結果顯示為許多曲線(xiàn)，供天文學(xué)家研究分析，從而獲得各種宇宙信息。因為無(wú)線(xiàn)電波可穿透宇宙空間，所以射電望遠鏡不太會(huì )受光照和氣候的影響，可以全天候、不間斷地工作。

CSST是光學(xué)望遠鏡，捕捉的是近紫外至可見(jiàn)光波段，通過(guò)組成望遠鏡的直徑大、焦距長(cháng)的物鏡和直徑小、焦距短的目鏡，實(shí)現遠距離物體近處成像。這樣，人們通過(guò)光學(xué)望遠鏡，就可以觀(guān)察到很遠的天體。由于受到地球濃厚的大氣層、電離層、臭氧層和地磁場(chǎng)等綜合因素影響，地基光學(xué)望遠鏡觀(guān)測能力有限。隨著(zhù)航天科技的進(jìn)步，消除上述因素影響的太空光學(xué)望遠鏡應運而生，這就是分別于1990年4月和2021年12月升空的哈勃太空望遠鏡和韋伯太空望遠鏡。中國巡天空間望遠鏡將緊隨其后，成為人類(lèi)新的“飛天巨眼”。

分為兩大部分，擁有5大裝備

CSST將是一個(gè)塊頭超大的太空飛行器，對其具體個(gè)頭大小，中國空間站工程巡天望遠鏡科學(xué)工作聯(lián)合中心主任、國家天文臺副臺長(cháng)劉繼峰曾這樣描述：“大小相當于一輛大客車(chē)，立起來(lái)有3層樓高，口徑為2米?！睆哪壳芭兜男畔?lái)看，巡天空間望遠鏡總長(cháng)約14米，最大直徑約4.5米，發(fā)射質(zhì)量約16噸。

CSST巡天光學(xué)設施責任科學(xué)家、中科院國家天文臺研究員詹虎介紹說(shuō)，CSST主要分成兩部分即“平臺段”與“光學(xué)設施段”，前者其實(shí)就是CSST的“資源艙”，負責為其太空飛行提供動(dòng)力，后者則是CSST主體載荷，包括5臺觀(guān)測設備，即巡天模塊、太赫茲模塊、多通道成像儀、積分視場(chǎng)光譜儀和系外行星成像星冕儀。

正如其名字所表明的那樣，CSST的主要使命是“巡天觀(guān)測”，也就是對天體進(jìn)行普查，能夠清晰、精細地觀(guān)察到成千上萬(wàn)的星系，帶來(lái)全景式宇宙高清圖，因此該望遠鏡占據最主要觀(guān)測時(shí)間的是巡天模塊。據詹虎透露，“巡天觀(guān)測”約占CSST運行時(shí)間的70%。

據中國科學(xué)院國家天文臺研究員李然介紹，為了保障“巡天觀(guān)測”成像質(zhì)量和能夠接收廣闊視場(chǎng)的信息，CSST巡天模塊安置了30塊探測器，總像素達到25億。其中18塊探測器上設置有不同的濾光片，這使得它可以獲得宇宙天體在不同波段的圖像，留下彩色的宇宙樣貌；另外12塊探測器則用于無(wú)縫光譜觀(guān)測，每次曝光可以獲得至少1000個(gè)天體的光譜信息。在整個(gè)巡天周期里，巡天模塊將會(huì )覆蓋整個(gè)天空面積的40%，積累獲得近20億星系的高質(zhì)量數據。

詹虎和李然在介紹CSST超強“巡天觀(guān)測”能力的同時(shí)，強調其精細觀(guān)測能力也很強。該望遠鏡配備的太赫茲模塊、多通道成像儀、積分視場(chǎng)光譜儀和系外行星成像星冕儀都是精測模塊，它們將依托各自特點(diǎn)開(kāi)展系外行星探測、星系核心區域空間可分辨光譜觀(guān)測，近鄰星系中性碳研究，宇宙超級深場(chǎng)觀(guān)測等眾多特色科學(xué)觀(guān)測。

更適于巡天，便于維護升級

同為太空光學(xué)望遠鏡，CSST與哈勃望遠鏡相比有什么特點(diǎn)呢？

對此，詹虎回答說(shuō)，CSST更適于巡天，其巡天相機的鏡片口徑為2米，雖然略小于哈勃望遠鏡的約2.4米，但是其視場(chǎng)約是哈勃望遠鏡的300倍，可以比較快地完成大范圍宇宙觀(guān)測。李然打了個(gè)形象的比方：好比山上有一群羊，哈勃望遠鏡能看到其中一只羊，而CSST可以把成千上萬(wàn)只羊都拍下來(lái)，而且每一只的清晰度都和通過(guò)哈勃望遠鏡看到的一樣。

CSST的巡天特長(cháng)可以說(shuō)是“與生俱來(lái)”的。作為我國載人空間站旗艦級項目，CSST是我國迄今為止最大的空間天文基礎設施，在項目設計之初就瞄準了大視場(chǎng)、高像質(zhì)、寬波段等方向。對此，李然解釋說(shuō)，哈勃望遠鏡是人類(lèi)空間望遠鏡先行者，已經(jīng)取得了豐碩的科研成果，CSST只有采取與之不同的創(chuàng )新設計，才能更進(jìn)一步促進(jìn)空間天文學(xué)的發(fā)展，進(jìn)一步拓展人類(lèi)認識的邊界。創(chuàng )新設計可供選擇思路有兩種：一種是建造更大口徑的太空望遠鏡，以看得更深，獲得更暗弱天體的信息；另一種是建造可以觀(guān)察更廣闊天區的太空望遠鏡，以更高的效率巡天觀(guān)測，更系統地研究宇宙空間。中國有關(guān)方面根據相關(guān)實(shí)際情況，為CSST選擇了第二種思路。

CSST的另一個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)是與空間站相得益彰。從CSST的中文全稱(chēng)“中國空間站工程巡天望遠鏡”可以看出來(lái)兩者之間的密切聯(lián)系。具體來(lái)說(shuō)，CSST以天宮空間站為太空母港，平時(shí)觀(guān)測時(shí)遠離空間站并與其共軌獨立飛行，在需要補給或者維修升級時(shí)，主動(dòng)與“天宮”交會(huì )對接，?？刻漳父?，不僅能夠保障其在10年壽命期內可以正常運行，有效避免出現類(lèi)似哈勃望遠鏡遭遇故障約3年無(wú)法修復的情況，而且能夠延長(cháng)在軌壽命，實(shí)現超期“服役”。

歷時(shí)10余載不斷調整完善

CSST是中國科學(xué)家特別是光學(xué)、天文學(xué)界專(zhuān)家和航天科技工作者長(cháng)期通力合作的結果。詹虎介紹說(shuō)，2009年12月，中國載人航天工程空間應用系統的總部組織召開(kāi)一系列研討會(huì )，探討空間站在微重力科學(xué)、天文學(xué)、生命科學(xué)、地球科學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)目標與研究方向，由此拉開(kāi)了CSST項目的序幕。 2013年11月，CSST正式立項。

詹虎特別指出，根據立項時(shí)的方案，CSST是與空間站實(shí)驗艙直接相連，但由此帶來(lái)一些問(wèn)題。比如，空間站組合體的姿態(tài)變化、結構形變以及各種振源對其形成的擾動(dòng)都會(huì )使凝視觀(guān)測的像質(zhì)嚴重退化。再比如，空間站周?chē)赡艽嬖诘奈廴经h(huán)境和顆粒物、空間站大致對地定向的姿態(tài)其結構對觀(guān)測方向的限制以及艙體和太陽(yáng)帆板等各處表面產(chǎn)生的雜散光等因素，都不利于天文觀(guān)測。鑒于此，2015年，該方案被調整為CSST與空間站共軌獨立飛行并獲得批準。之后經(jīng)過(guò)遴選，CSST配備的巡天模塊、太赫茲模塊等5臺儀器被確定下來(lái)。2022年4月，CSST初樣研制進(jìn)入關(guān)鍵期。當年底，初樣鑒定件研制完成。據巡天光學(xué)設施總體主任設計師、中科院長(cháng)春光機所研究員徐抒巖透露，在完成望遠鏡各個(gè)子系統、組件、單元集成測試試驗工作后，即轉入正樣研制和飛行件的研制工作，隨后與巡天平臺集成開(kāi)展聯(lián)合試驗，進(jìn)行發(fā)射場(chǎng)測試，最后擇機發(fā)射。

在CSST研制等工作緊鑼密鼓推進(jìn)的同時(shí)，觀(guān)測數據處理準備工作已經(jīng)著(zhù)手推進(jìn)。據李然介紹，CSST在全周期將會(huì )產(chǎn)生50PB的科學(xué)數據產(chǎn)品，有關(guān)部門(mén)已建立了一個(gè)由天文學(xué)家、數據專(zhuān)家和計算機專(zhuān)家組成的團隊，致力于開(kāi)發(fā)CSST科學(xué)數據處理系統，產(chǎn)生供全國乃至全世界天文學(xué)家使用的天文圖像和星表，開(kāi)展進(jìn)一步研究。

有望為世界天文學(xué)發(fā)展作出重要貢獻

CSST還未升空，但是其致力于打造的面向國際開(kāi)放的、先進(jìn)的空間天文臺，將為人類(lèi)認識世界提供新的可能性，吸引了全球科學(xué)家特別是天文學(xué)家、物理學(xué)家的目光。

在CSST科學(xué)工作聯(lián)合中心網(wǎng)站上，人們可以看到CSST瞄準的7大科學(xué)目標，其中涉及宇宙學(xué)、星系和活動(dòng)星系核、銀河系及近鄰星系、恒星科學(xué)、系外行星與太陽(yáng)系天體等，每一項都指向當代科學(xué)最前沿。比如，利用CSST大天區巡天和超深場(chǎng)觀(guān)測提供的豐富觀(guān)測數據，對宇宙加速膨脹和暗能量、暗物質(zhì)等進(jìn)行研究，對星系的形態(tài)結構及其演化、活動(dòng)星系與超大質(zhì)量黑洞等進(jìn)行研究。

李然表示，CSST有望幫助人類(lèi)探索并解答關(guān)于宇宙的物質(zhì)構成、結構、演化等基本問(wèn)題。詹虎指出，天文探測能力的提升推動(dòng)人類(lèi)對宇宙認知，每次觀(guān)測深度、廣度、波段、測光精度等方面的突破，都會(huì )帶來(lái)重大發(fā)現，甚至引發(fā)天文學(xué)和物理學(xué)革命性發(fā)展。CSST綜合性能優(yōu)異，在一些指標上大幅超越以往項目，在同期巡天項目中像質(zhì)最好，近紫外波段的觀(guān)測能力獨一無(wú)二。李然滿(mǎn)懷信心地表示，CSST不僅有望在宇宙加速膨脹機理的研究等方面取得突破，而且將打開(kāi)更廣闊的發(fā)現空間，為世界天文學(xué)的發(fā)展作出重要貢獻。（本報記者 張保淑）

《人民日報海外版》（2023年02月13日第 09版）

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