中国建造首个大型太空光学望远镜，看它将如何科学“巡天”

中国建成第一台大型太空光学望远镜，看它如何科学“测天”。1990年，哈勃太空望远镜（HubbleSpaceTelescope，HST）发射升空，为人类开辟了对宇宙的全新认识。2021年12月25日，继哈勃望远镜之后的新一代太空望远镜——耀明太空望远镜（JamesWebbSpaceTelescope，JWST）发射升空，前往更遥远的宇宙深空。我国无数天文学家热切期盼：什么时候我们也能拥有自己的太空望远镜，用中国的深空之眼探访宇宙？伴随着我国“天宫”空间站发射升空传来了振奋人心的消息——我国自主研制建造的光学太空望远镜有望在2024年前后投入科学运行。

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光学太空望远镜全称我国自主研制建造的是中国巡天空间望远镜（CSST），也简称“巡天”。从2010年提出望远镜概念至今已有十余年，“巡天”设计口径约2米，观测波段涵盖近紫外、可见光和红外。目前计划2024年前后发射并投入运行，届时将与天宫空间站同轨飞行，开展深空观测。

图1：左中右分别是目前在轨的哈勃太空望远镜、刚刚发射升空的詹姆斯·韦伯太空望远镜（概念图）和中国巡天太空望远镜（概念图，长春光学精密机械与物理研究所，中国科学院））。

图2：中国巡天空间望远镜示意图（来源：http://www.bao.ac.cn/csst/）有那么多基础望远镜，还要发射太空望远镜？

我们知道各国在地面上建造了多台大口径光学望远镜，比如夏威夷莫纳克火山上的多台10米级望远镜（Gemini8m，Keck10m），比如在建或者几个20米(GMT)、30米(TMT)和40米(ELT)正在计划中。至于太空望远镜，运行多年的哈勃口径只有2.4米；虽然新发射的韦伯望远镜口径达到了6.5米，但与地面上的这些“巨无霸”相比，太空望远镜在观测口径上并没有优势。单词。

将相对较小但价格昂贵的光学望远镜发射到太空的主要目的是为了避免地球大气层对天文观测的不利影响。地球大气层中的湍流会严重影响远处物体的成像分辨率。地面望远镜的分辨率取决于望远镜的口径和大气的可见度中的较大者。以波长550nm、口径20cm的望远镜为例，角分辨率θ=1.22λ/D≈0.7角秒，夏威夷平均视距约为0.8角秒，最佳时间约为0.3角秒，但这样的时间很短。至少，也就是说，对于超过二十或三十厘米的望远镜来说，角分辨率主要取决于大气观测。地面上较大的望远镜在观察微弱物体方面有优势，但角分辨率并不好。此外，地球大气层的各种成分也会吸收部分宇宙天体的红外辐射，导致天体观测亮度下降。此外，光污染是地基望远镜无法避免的另一个问题。将望远镜移到外太空可以完美避免这些影响。图3为大口径地基望远镜与哈勃观测同一天体的图像。大气干扰使天文学家无法准确获得最外层圆环引力透镜造成的环状结构。

图3：左右图分别是地面望远镜（凯克，10米）和太空望远镜（哈勃：2.4米）对同一颗超新星遗迹的引力透镜现象的观测。（来源：NASA/ESA/Hubble&W.M.KeckObservatory）

作为中国第一台太空望远镜，巡天与哈勃口径接近，观测波段也有重合。那么我们的太空望远镜是否在追随哈勃的道路？？当然不是。与哈勃相比，CSST有其独特的目标和优势。

(1)首先，天巡在观测波段上与哈勃类似，都是光学望远镜，观测近紫外、可见光和近红外。韦伯的主要观测波段是红外波，不包括可见光波段。虽然巡天和哈勃观测的波段类似，但实际上，我们的工作模式和哈勃是不一样的。

首先科学目标不同。一般来说，天文观测可以分为两类，一类是小视场精细观测，一类是大视场巡天观测。哈勃所做的是对各种天体进行详细的测绘观测，以获得天体的精细结构。因为是研究单个天体，所以需要尽可能多地观察天体的丰富细节。因此，此类观测需要分辨率高、曝光时间长的望远镜，才能获得准确的结构。几十年来，哈勃对无数天体、星云、星团和星系进行了丰富细致的观测，大大拓展了人类对宇宙天体的认知范围。

不同于小视场高分辨率精细观测，我们的太空望远镜做的是大视场巡天观测。所谓巡天，就是在尽可能大的天空区域，开展类似于天体“普查”的大规模系统统计工作，获取天体空间分布、亮度统计等样本信息，宇宙中的星团和星系，进而勾勒出大尺度宇宙的空间结构，便于天文学家研究星系或宇宙的演化、探索暗物质的分布等。相比于对单个天体的精细观测，巡天观测有助于我们从另一个角度更全面、更系统地认识宇宙，这也是我国太空望远镜名称“巡天”的由来。图4显示了巡天观测揭示的银河系大尺度结构（左）和哈勃对大麦哲伦星云中超新星遗迹的详细观测（右）。从视觉上来说，如果宇宙的某个区域是一头大象，那么哈勃的一个观测就是看到大象身上的一根毛发，而我们巡天的目标就是看到大象的五种感官和四肢。哈勃做的是“窥一斑”，而天勘要的是“知全身”。

图4：左边是盖亚对银河系的调查（来源：ESA/Science&Exploration/SpaceScience/Gaia）；右图是哈勃对超新星残骸SN1987A的详细观测（来源：ESA/Hubble，M.Kornmesser）

(2)在口径相同的情况下，要达到“知其浑然一体”的目的，又一重大我国“巡天”与哈勃相比的特点是视野大、曝光时间短。所谓视野，可以简单理解为望远镜一次观测所能覆盖的天空区域的角度范围。视野越大，观看某个天空区域的效率就越高。以哈勃2009年升级的超广角镜头WFC3为例。它的增加使哈勃的视野达到了160弧秒×160弧秒。我国“巡天”的初始设计视角为1.1平方度，比哈勃大300多倍。这也意味着普查一片天空区域后“巡天”的效率是哈勃的10万倍（以长方形天空区域为例）。在同等价位下，这是观测时间及其珍贵的天文望远镜的最佳选择。在保持大视野的前提下，《巡天》还保持了高分辨率这一重要性能。同样以升级后的WFC3为例，哈勃的单像素分辨率为0.04弧秒，而《巡天》在尽可能扩大视野的同时，将像素分辨率保持在0.074弧秒，与哈勃相差无几.

（3）作为太空望远镜，与哈勃的“独行”不同，我国的“巡天”与未来的“天宫”空间站同轨。也就是说，“巡天号”在绕地球飞行、侦察宇宙时，其轨道上还有“天宫号”为伴。为什么要设计与“天宫”空间站共轨飞行？这其实是科学家对未来望远镜维护升级的综合考虑。我们先来回顾一下哈勃的保养方法。首先，要模拟地面的操作过程；然后派工程师、科学家和宇航员乘坐航天飞机进入哈勃的轨道；然后用航天飞机的机械臂抓取并固定好望远镜；最终将工程师和科学家送出舱室，在外太空开展行动。这种方法无论是成本还是风险都非常高。这种高昂的成本也间接决定了哈勃的退休。未来的“巡天”将完全不同。未来，“天宫号”可以专门搭载“巡天”望远镜。也就是说，当“巡天”需要维护或升级时，我们的航天员只需要走出“天宫”就可以进行大规模作业了。这样一方面节省了巨额成本，另一方面维护过程更加安全可靠，操作更加方便。

图5：左边是哈勃宇航员“太空行走”维护升级；右边是未来我国太空望远镜与“天宫”号对接的概念图。

期待我国第一台光学太空望远镜早日发射升空，为中国人民和全人类打开一扇新的宇宙之窗，揭开宇宙的新面貌！

作者：袁茂（国家天文台）

审稿人：唐静（国家天文台）

文章由腾讯“全民热爱科学”团队推出

本文来自科普中国