“飛天巨眼”，中國造！(筑夢“太空之家”——中國空間站建設記㉚)
對2023年可能發(fā)生的世界科技熱點事件，多家國際主流媒體進行了展望，均把中國空間站工程巡天望遠鏡(即“中國巡天空間望遠鏡”，英語簡稱“CSST”)列入其中，認為它的飛天將與美國發(fā)射新型火箭、啟動小行星采礦任務等成為人類探索或利用太空新的年度里程碑。
根據(jù)最新版的中國航天白皮書，在天宮空間站全面建成以后，我國將適時啟動CSST發(fā)射、部署工作，開展更加廣泛的天文調(diào)查。中國載人航天工程辦公室曾向外界表示，我國首個大型巡天空間望遠鏡計劃于2023年發(fā)射，開展廣域巡天觀測，將在宇宙結(jié)構(gòu)形成和演化、暗物質(zhì)和暗能量、系外行星與太陽系天體等方面開展前沿科學研究。
空間光學觀測領域?qū)⑸鸬男滦?/strong>
說到天文望遠鏡，很多人第一時間想到的可能是“中國天眼”，即位于貴州平塘的500米口徑球面望遠鏡(FAST)。作為我國近年來建成的重大科技基礎設施，F(xiàn)AST以其超大的體量規(guī)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，享譽海內(nèi)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(nèi)人士來說，它是一顆在光學望遠鏡開展天文觀測領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(qū)別在于它們分屬不同的天文望遠鏡類型。
FAST是射電望遠鏡，接收的是天體發(fā)出的無線電波，而巨型球面鏡就是其接收無線電波的天線，它把微弱的宇宙無線電信號收集起來，然后傳送到接收系統(tǒng)中去放大，接收系統(tǒng)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。計算機記錄的結(jié)果顯示為許多曲線，供天文學家研究分析，從而獲得各種宇宙信息。因為無線電波可穿透宇宙空間，所以射電望遠鏡不太會受光照和氣候的影響，可以全天候、不間斷地工作。
CSST是光學望遠鏡，捕捉的是近紫外至可見光波段，通過組成望遠鏡的直徑大、焦距長的物鏡和直徑小、焦距短的目鏡，實現(xiàn)遠距離物體近處成像。這樣，人們通過光學望遠鏡，就可以觀察到很遠的天體。由于受到地球濃厚的大氣層、電離層、臭氧層和地磁場等綜合因素影響，地基光學望遠鏡觀測能力有限。隨著航天科技的進步，消除上述因素影響的太空光學望遠鏡應運而生，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，成為人類新的“飛天巨眼”。
分為兩大部分，擁有5大裝備
CSST將是一個塊頭超大的太空飛行器，對其具體個頭大小，中國空間站工程巡天望遠鏡科學工作聯(lián)合中心主任、國家天文臺副臺長劉繼峰曾這樣描述：“大小相當于一輛大客車，立起來有3層樓高，口徑為2米。”從目前披露的信息來看，巡天空間望遠鏡總長約14米，最大直徑約4.5米，發(fā)射質(zhì)量約16噸。
CSST巡天光學設施責任科學家、中科院國家天文臺研究員詹虎介紹說，CSST主要分成兩部分即“平臺段”與“光學設施段”，前者其實就是CSST的“資源艙”，負責為其太空飛行提供動力，后者則是CSST主體載荷，包括5臺觀測設備，即巡天模塊、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。
正如其名字所表明的那樣，CSST的主要使命是“巡天觀測”，也就是對天體進行普查，能夠清晰、精細地觀察到成千上萬的星系，帶來全景式宇宙高清圖，因此該望遠鏡占據(jù)最主要觀測時間的是巡天模塊。據(jù)詹虎透露，“巡天觀測”約占CSST運行時間的70%。
據(jù)中國科學院國家天文臺研究員李然介紹，為了保障“巡天觀測”成像質(zhì)量和能夠接收廣闊視場的信息，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塊探測器則用于無縫光譜觀測，每次曝光可以獲得至少1000個天體的光譜信息。在整個巡天周期里，巡天模塊將會覆蓋整個天空面積的40%，積累獲得近20億星系的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。
詹虎和李然在介紹CSST超強“巡天觀測”能力的同時，強調(diào)其精細觀測能力也很強。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。
更適于巡天，便于維護升級
同為太空光學望遠鏡，CSST與哈勃望遠鏡相比有什么特點呢？
對此，詹虎回答說，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，但是其視場約是哈勃望遠鏡的300倍，可以比較快地完成大范圍宇宙觀測。李然打了個形象的比方：好比山上有一群羊，哈勃望遠鏡能看到其中一只羊，而CSST可以把成千上萬只羊都拍下來，而且每一只的清晰度都和通過哈勃望遠鏡看到的一樣。
CSST的巡天特長可以說是“與生俱來”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、高像質(zhì)、寬波段等方向。對此，李然解釋說，哈勃望遠鏡是人類空間望遠鏡先行者，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，才能更進一步促進空間天文學的發(fā)展，進一步拓展人類認識的邊界。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察更廣闊天區(qū)的太空望遠鏡，以更高的效率巡天觀測，更系統(tǒng)地研究宇宙空間。中國有關方面根據(jù)相關實際情況，為CSST選擇了第二種思路。
CSST的另一個顯著特點是與空間站相得益彰。從CSST的中文全稱“中國空間站工程巡天望遠鏡”可以看出來兩者之間的密切聯(lián)系。具體來說，CSST以天宮空間站為太空母港，平時觀測時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，主動與“天宮”交會對接，停靠太空母港，不僅能夠保障其在10年壽命期內(nèi)可以正常運行，有效避免出現(xiàn)類似哈勃望遠鏡遭遇故障約3年無法修復的情況，而且能夠延長在軌壽命，實現(xiàn)超期“服役”。
歷時10余載不斷調(diào)整完善
CSST是中國科學家特別是光學、天文學界專家和航天科技工作者長期通力合作的結(jié)果。詹虎介紹說，2009年12月，中國載人航天工程空間應用系統(tǒng)的總部組織召開一系列研討會，探討空間站在微重力科學、天文學、生命科學、地球科學等領域的科學目標與研究方向，由此拉開了CSST項目的序幕。 2013年11月，CSST正式立項。
詹虎特別指出，根據(jù)立項時的方案，CSST是與空間站實驗艙直接相連，但由此帶來一些問題。比如，空間站組合體的姿態(tài)變化、結(jié)構(gòu)形變以及各種振源對其形成的擾動都會使凝視觀測的像質(zhì)嚴重退化。再比如，空間站周圍可能存在的污染環(huán)境和顆粒物、空間站大致對地定向的姿態(tài)其結(jié)構(gòu)對觀測方向的限制以及艙體和太陽帆板等各處表面產(chǎn)生的雜散光等因素，都不利于天文觀測。鑒于此，2015年，該方案被調(diào)整為CSST與空間站共軌獨立飛行并獲得批準。之后經(jīng)過遴選，CSST配備的巡天模塊、太赫茲模塊等5臺儀器被確定下來。2022年4月，CSST初樣研制進入關鍵期。當年底，初樣鑒定件研制完成。據(jù)巡天光學設施總體主任設計師、中科院長春光機所研究員徐抒巖透露，在完成望遠鏡各個子系統(tǒng)、組件、單元集成測試試驗工作后，即轉(zhuǎn)入正樣研制和飛行件的研制工作，隨后與巡天平臺集成開展聯(lián)合試驗，進行發(fā)射場測試，最后擇機發(fā)射。
在CSST研制等工作緊鑼密鼓推進的同時，觀測數(shù)據(jù)處理準備工作已經(jīng)著手推進。據(jù)李然介紹，CSST在全周期將會產(chǎn)生50PB的科學數(shù)據(jù)產(chǎn)品，有關部門已建立了一個由天文學家、數(shù)據(jù)專家和計算機專家組成的團隊，致力于開發(fā)CSST科學數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，產(chǎn)生供全國乃至全世界天文學家使用的天文圖像和星表，開展進一步研究。
有望為世界天文學發(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放的、先進的空間天文臺，將為人類認識世界提供新的可能性，吸引了全球科學家特別是天文學家、物理學家的目光。
在CSST科學工作聯(lián)合中心網(wǎng)站上，人們可以看到CSST瞄準的7大科學目標，其中涉及宇宙學、星系和活動星系核、銀河系及近鄰星系、恒星科學、系外行星與太陽系天體等，每一項都指向當代科學最前沿。比如，利用CSST大天區(qū)巡天和超深場觀測提供的豐富觀測數(shù)據(jù)，對宇宙加速膨脹和暗能量、暗物質(zhì)等進行研究，對星系的形態(tài)結(jié)構(gòu)及其演化、活動星系與超大質(zhì)量黑洞等進行研究。
李然表示，CSST有望幫助人類探索并解答關于宇宙的物質(zhì)構(gòu)成、結(jié)構(gòu)、演化等基本問題。詹虎指出，天文探測能力的提升推動人類對宇宙認知，每次觀測深度、廣度、波段、測光精度等方面的突破，都會帶來重大發(fā)現(xiàn)，甚至引發(fā)天文學和物理學革命性發(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，近紫外波段的觀測能力獨一無二。李然滿懷信心地表示，CSST不僅有望在宇宙加速膨脹機理的研究等方面取得突破，而且將打開更廣闊的發(fā)現(xiàn)空間，為世界天文學的發(fā)展作出重要貢獻。(人民日報海外版 記者 張保淑)
