巡天空間望遠鏡：將伴“天和”探太空

2020年4月29日上午11時，我們20幾個同事聚在一個小型會議室里目不轉睛地觀看央視轉播的中國載人航天工程天和號核心艙的發(fā)射，隨著倒計時，大家的心情逐漸緊張，看著火箭漂亮升空入軌，大家的心情又轉為興奮。有一個同事小聲嘟囔：“可以鼓掌了吧？”頃刻間掌聲和歡笑聲充滿了會議室。

天和號核心艙的發(fā)射拉開了中國空間站全面建設的序幕，今明兩年載人航天工程還將繼續(xù)實施其他空間站艙段的發(fā)射，貨運飛船的發(fā)射和載人飛船的發(fā)射，最終完成空間站的在軌建造。而讓我們這些天文學工作者興奮的原因，還在于中國空間站工程未來的計劃中還包含一個重達十幾噸的用于最前沿天文學研究的光學艙。這個光學艙里架設著一個口徑2米的光學望遠鏡，并配備了一系列最先進的探測器。這個光學艙將與空間站保持共軌飛行的狀態(tài)，可以對接到空間站進行維修或更換探測設備。這個光學艙現(xiàn)在一般被稱作“巡天空間望遠鏡”，預計于2024年前后投入科學運行。這將是中國天文學界有史以來獲得的最先進也是最昂貴的研究設施，將可能帶給人類對于宇宙的嶄新認識。

為什么要把望遠鏡放到天上去？來看看哈勃望遠鏡

把望遠鏡放到天上去的最主要原因，是消除大氣對天文觀測帶來的不利影響。

在地面上開展觀測的光學望遠鏡需要透過大氣層去觀察星空，而大氣是在不斷運動的，光線在大氣中的傳播路徑不斷發(fā)生變化，使得地面上看到的星象變得模糊。天文學研究用天體在夜空中延伸的角度來描述天體的大小。如果我們將胳膊伸直，豎起食指，則手指的寬度擋住的視野寬度大約是1度，等于3600角秒。由于大氣的存在，即使在地球上最優(yōu)秀的觀測地點，望遠鏡在光學波段的分辨能力也很難持續(xù)超過0.7角秒，而遙遠宇宙中大多數(shù)星系只有幾個角秒的大小，很多遙遠的星系在地面望遠鏡上很難被分辨出任何結構。即使是觀察一些近鄰星系，地面的望遠鏡也無法分辨科學家感興趣的精細結構。如果不能夠消除大氣的影響，我們就無法精確地研究宇宙天體。

早在1946年，萊曼·斯皮策（Lyman Spitzer）就大膽提出了將一個主鏡面口徑8米的空間望遠鏡放置在太空中的計劃。這在當時是極為大膽也極為困難的計劃，因為當時地面上最大的望遠鏡Hale望遠鏡也只有5米口徑，更大的問題是人類當時還沒有具備能夠將任何一個物體發(fā)射到地球軌道的能力。

但這個想法經過不斷演化，最終成為美國宇航局的哈勃望遠鏡計劃。哈勃望遠鏡的計劃一波三折，先是大幅的預算超支使得其差點夭折，而挑戰(zhàn)者號航天飛機的失事又使得它的發(fā)射推遲。而當哈勃望遠鏡升入太空后，科學家卻驚奇地發(fā)現(xiàn)望遠鏡并沒有像想象中那樣傳回地球清晰的天文圖像。經過一番檢驗，人們才發(fā)現(xiàn)原來是哈勃望遠鏡的主鏡研磨出現(xiàn)了微小的誤差，使得光學系統(tǒng)成像質量變差。為了解決這個問題，哈勃望遠鏡不得不在太空展開維修，加裝改正鏡。

即使經過了如此多的波折，當哈勃望遠鏡傳回第一幅修正后的圖像的時候，科學家還是被其精美的細節(jié)所折服。很多在地面上看起來模糊一團的天體結構，在哈勃望遠鏡的觀測中立刻顯現(xiàn)出清晰的結構。哈勃望遠鏡產生了眾多重要的科學成果，包括：在10%的精度上精確測量哈勃常數(shù)，結束了長久以來的宇宙年齡之爭；進一步證實了星系中心超大質量黑洞的存在，并幫助人們探索星系和超大質量黑洞之間的聯(lián)系；幫助人們探索太陽系的演化，其觀測展示了大型氣態(tài)行星的極光，火星的天氣系統(tǒng)，冥王星的新衛(wèi)星，以及矮行星衛(wèi)星的存在，其超深場觀測顯示了人類所能看到的最遙遠的宇宙切片等。

除了科學貢獻之外，哈勃望遠鏡用精美的圖片徹底改變了天文學科普的面貌，幫助普通人更加深刻地理解空間探索的重要性。

能否超越哈勃望遠鏡？中國巡天空間望遠鏡是這樣設計的

哈勃望遠鏡在軌運行已經超過30年，取得了豐碩的科研成果。在這個時候我們再次發(fā)射一個光學空間望遠鏡，采取怎樣的設計才能夠超越哈勃望遠鏡，更進一步拓展人類認識的邊界呢？

這可以有兩種思路，一種思路是建造更大口徑的望遠鏡，這樣可以看得更深，獲得更暗弱天體的信息，美國將在今年發(fā)射的6.5米口徑的詹姆斯韋伯太空望遠鏡就采取了這一思路。另一種思路是建造可以觀察更廣闊天區(qū)的望遠鏡，以更高的效率，更系統(tǒng)地去研究宇宙。進行后一種工作的望遠鏡一般被稱作巡天式望遠鏡。

我們即將發(fā)射的巡天空間望遠鏡采取的方式就是后者。在它搭載的第一代儀器中，占據(jù)最主要觀測時間的是巡天模塊。這是一個視野極為寬闊的相機，視場達到1.1x1.2平方度。在成像質量和哈勃望遠鏡相當?shù)那闆r下，巡天空間望遠鏡的視場達到了哈勃望遠鏡的300倍。為了能夠接收廣闊視場的信息，巡天空間望遠鏡在巡天相機上安置了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，帶給我們彩色的宇宙樣貌；另外12塊探測器則用于無縫光譜觀測，每次曝光可以獲得至少1000個天體的光譜信息。

巡天空間望遠鏡在巡天模式下的觀測每次曝光約為150秒，對于巡天中的每個觀測天區(qū)會進行兩次曝光。天文上一般以星等表示天體的明暗，星等越大表示天體越暗，每相差5個星等，天體之間的亮度相差100倍。天上的織女星大約是0星等左右，人眼能夠看到最暗的恒星是6星等。巡天空間望遠鏡在總共短短300秒的曝光時間，就可以獲得低至26星等左右（不同波段具體數(shù)值有差別）的天體圖像，這要比人眼能夠看到的最暗的恒星還要暗上1億倍。在這樣的觀測深度上，研究者可以在每個平方角分看到30個左右的星系。在整個巡天周期里，巡天模塊將會覆蓋17500平方度的天區(qū)，是整個天空面積的40%，積累近20億星系的高質量數(shù)據(jù)。

除了巡天模塊以外，巡天空間望遠鏡還將配備一系列的精測模塊，包括太赫茲模塊，多通道成像儀，積分視場光譜儀和系外行星成像星冕儀。這些儀器將依托各自特點開展系外行星探測、星系核心區(qū)域空間可分辨光譜觀測，近鄰星系中性碳研究，宇宙超級深場觀測等眾多特色科學觀測。

巡天空間望遠鏡會帶給我們什么？這些科學問題值得期待

巡天空間望遠鏡會幫助我們探索一些宇宙的基本問題，例如：宇宙由什么物質構成，結構是什么樣的，又是如何演化的？從地球上的常識來看，世界當然是由原子物質構成的。原子包含原子核和電子，原子核又由中子和質子構成。原子的組合體構成了我們生活的豐富多彩的世界。但從宇宙的尺度上來看，暗能量和暗物質才是宇宙最主要的組成部分。暗能量占據(jù)宇宙質能總量的70%左右，它的能量密度被認為在宇宙處處相同（或者極其接近相同）。在人類日常生活的尺度上暗能量完全沒有任何可觀測的影響，但它被認為是驅動宇宙加速膨脹的原因。暗物質占據(jù)宇宙質能組成的26%左右，是原子物質的5倍以上，主導著宇宙的結構形成。暗物質相互之間有引力相互作用，可以聚集稱作暗暈的團塊，而星系就形成在暗暈中，也被包裹在暗暈中。

這兩種奇異的宇宙組分都不會發(fā)光，天文學家需要通過它們的引力效應來探索它們。引力透鏡是這些方法中最重要的一種。在這類研究中，天文學家需要測量遙遠宇宙中的星系形態(tài)。這些星系發(fā)出的光線在穿過宇宙空間的時候，會因為宇宙空間中物質（以暗物質為主）的引力作用發(fā)生微微的扭曲。天文學家通過測量海量的遙遠星系形態(tài)，可以從中重建出宇宙暗物質的分布地圖。

巡天空間望遠鏡的20億高清晰星系圖像極為適合做這樣的工作，和這一課題相關的儀器指標可以說是在下一代空間望遠鏡中領先的。利用巡天空間望遠鏡的星系圖像，天文學家可以測繪170億光年范圍內的暗物質分布地圖。因為光速是有限的，對遙遠宇宙的觀測實際上對應對宇宙早期的觀測�？紤]到這一點，巡天空間望遠鏡的引力透鏡分析實際上還帶給我們宇宙結構隨時間的演化，幫助我們確定宇宙的膨脹歷史，進而探索暗能量的性質是否隨時間流逝而變化。

在某些特殊的情況下，遙遠的星系會和前景的星系在觀測者視線方向上重合，這種巧合出現(xiàn)的天體構型會產生更為強烈的引力透鏡效應，在有些情況下背景天體甚至會被扭曲成環(huán)形，這常被稱作“愛因斯坦環(huán)”。愛因斯坦環(huán)在研究小尺度暗物質分布方面具有特殊的作用，提供幾種對暗物質本質研究的重要檢驗。在哈勃望遠鏡歷史上的觀測中，總共只觀測了幾十個漂亮的愛因斯坦環(huán)。而巡天空間望遠鏡只需要1至2個月就可以拍攝到同樣數(shù)量的愛因斯坦環(huán)。這就是巡天空間望遠鏡寬廣視場帶來的巨大優(yōu)勢。

巡天空間望遠鏡提供給宇宙研究的遠不止于引力透鏡，海量星系的亮度分布，星系位置分布的信息中也同樣包含著重要的宇宙結構和宇宙演化信息。天文學家將會把不同的分析手段交織在一起，期望能夠在好于10%的精度上限制宇宙過去60年的膨脹歷史，進而探索暗能量和暗物質的本質。

宇宙整體的研究是巡天空間望遠鏡的核心研究課題之一，除此之外，巡天空間望遠鏡拍攝的高清晰星系圖像和高質量光譜信息也將使天文學家得以研究星系本身在宇宙中的演化，理解它們如何誕生，如何獲得多姿多彩的形態(tài)，如何孕育恒星形成，如何在中心形成超大質量黑洞，如何走向演化的暮年。

同樣的，巡天空間望遠鏡也可以幫助銀河系和近鄰宇宙的研究者拓展研究前沿，包括探索銀河系的邊界以及研究近鄰星系和銀河系共同的演化歷史等。此外，巡天望遠鏡同樣可能成為搜索地外行星，研究太陽系內小天體等課題的重要利器。

需要注意到的是，巡天望遠鏡帶來的海量數(shù)據(jù)也意味著科學分析變得更為復雜和艱巨。在巡天望遠鏡全周期將會產生50PB的科學數(shù)據(jù)產品，如此海量的數(shù)據(jù)將不可能由科學家下載到個人電腦上進行處理。巡天空間望遠鏡在論證初期即對這一問題有所規(guī)劃。目前，載人航天工程已經建立了依托中國科學院國家天文臺的科學工作聯(lián)合中心，負責領導一個由天文學家、數(shù)據(jù)專家和計算機專家組成的團隊，這個團隊將開發(fā)巡天空間望遠鏡的科學數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，對未來巡天空間望遠鏡的原始科學數(shù)據(jù)開展處理，產生供全國乃至全世界天文學家使用的天文圖像和星表。天文學用戶將通過云平臺接觸這些科學數(shù)據(jù)，開展進一步的科學研究。在科學準備方面，載人航天工程成立了巡天空間望遠鏡的科學工作委員會，并成立了“北京大學科學中心、國家天文臺科學中心、長三角科學中心和大灣區(qū)科學中心”四個區(qū)域科學研究中心。目前已經有數(shù)百位天文學家參與到巡天空間望遠鏡的預研究中，它未來的研究內容仍然在不斷增加和拓展。

中國載人航天工程巡天空間望遠鏡將是中國天文學邁向國際領先的巨大機遇。如果說哈勃望遠鏡用高清晰的圖像為我們掀開了宇宙的一角，那么巡天空間望遠鏡將會給人類帶回整個宇宙全景的高清晰圖像。普通公眾屆時也將可能在網絡上訪問巡天空間望遠鏡拍攝到的美麗圖片，直觀的感受宇宙的浩瀚和美麗。

（作者：李然，系中國科學院國家天文臺研究員）