2020年4月29日上午11時，我們(men) 20幾個(ge) 同事聚在一個(ge) 小型會(hui) 議室裏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(wei) 興(xing) 奮。有一個(ge) 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(hui) 議室。

　　天和號核心艙的發射拉開了中國空間站全麵建設的序幕，今明兩(liang) 年載人航天工程還將繼續實施其他空間站艙段的發射，貨運飛船的發射和載人飛船的發射，最終完成空間站的在軌建造。而讓我們(men) 這些天文學工作者興(xing) 奮的原因，還在於(yu) 中國空間站工程未來的計劃中還包含一個(ge) 重達十幾噸的用於(yu) 最前沿天文學研究的光學艙。這個(ge) 光學艙裏架設著一個(ge) 口徑2米的光學望遠鏡，並配備了一係列最先進的探測器。這個(ge) 光學艙將與(yu) 空間站保持共軌飛行的狀態，可以對接到空間站進行維修或更換探測設備。這個(ge) 光學艙現在一般被稱作“巡天空間望遠鏡”，預計於(yu) 2024年前後投入科學運行。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，將可能帶給人類對於(yu) 宇宙的嶄新認識。

　　為(wei) 什麽(me) 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。

　　在地麵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(chuan) 播路徑不斷發生變化，使得地麵上看到的星象變得模糊。天文學研究用天體(ti) 在夜空中延伸的角度來描述天體(ti) 的大小。如果我們(men) 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，等於(yu) 3600角秒。由於(yu) 大氣的存在，即使在地球上最優(you) 秀的觀測地點，望遠鏡在光學波段的分辨能力也很難持續超過0.7角秒，而遙遠宇宙中大多數星係隻有幾個(ge) 角秒的大小，很多遙遠的星係在地麵望遠鏡上很難被分辨出任何結構。即使是觀察一些近鄰星係，地麵的望遠鏡也無法分辨科學家感興(xing) 趣的精細結構。如果不能夠消除大氣的影響，我們(men) 就無法精確地研究宇宙天體(ti) 。

　　早在1946年，萊曼·斯皮策（Lyman Spitzer）就大膽提出了將一個(ge) 主鏡麵口徑8米的空間望遠鏡放置在太空中的計劃。這在當時是極為(wei) 大膽也極為(wei) 困難的計劃，因為(wei) 當時地麵上最大的望遠鏡Hale望遠鏡也隻有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(ge) 物體(ti) 發射到地球軌道的能力。

　　但這個(ge) 想法經過不斷演化，最終成為(wei) 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，而挑戰者號航天飛機的失事又使得它的發射推遲。而當哈勃望遠鏡升入太空後，科學家卻驚奇地發現望遠鏡並沒有像想象中那樣傳(chuan) 回地球清晰的天文圖像。經過一番檢驗，人們(men) 才發現原來是哈勃望遠鏡的主鏡研磨出現了微小的誤差，使得光學係統成像質量變差。為(wei) 了解決(jue) 這個(ge) 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(chuan) 回第一幅修正後的圖像的時候，科學家還是被其精美的細節所折服。很多在地麵上看起來模糊一團的天體(ti) 結構，在哈勃望遠鏡的觀測中立刻顯現出清晰的結構。哈勃望遠鏡產(chan) 生了眾(zhong) 多重要的科學成果，包括：在10%的精度上精確測量哈勃常數，結束了長久以來的宇宙年齡之爭(zheng) ；進一步證實了星係中心超大質量黑洞的存在，並幫助人們(men) 探索星係和超大質量黑洞之間的聯係；幫助人們(men) 探索太陽係的演化，其觀測展示了大型氣態行星的極光，火星的天氣係統，冥王星的新衛星，以及矮行星衛星的存在，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麵貌，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(feng) 碩的科研成果。在這個(ge) 時候我們(men) 再次發射一個(ge) 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(liang) 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(ti) 的信息，美國將在今年發射的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的望遠鏡，以更高的效率，更係統地去研究宇宙。進行後一種工作的望遠鏡一般被稱作巡天式望遠鏡。

　　我們(men) 即將發射的巡天空間望遠鏡采取的方式就是後者。在它搭載的第一代儀(yi) 器中，占據最主要觀測時間的是巡天模塊。這是一個(ge) 視野極為(wei) 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的情況下，巡天空間望遠鏡的視場達到了哈勃望遠鏡的300倍。為(wei) 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(yi) 。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(ti) 在不同波段的圖像，帶給我們(men) 彩色的宇宙樣貌；另外12塊探測器則用於(yu) 無縫光譜觀測，每次曝光可以獲得至少1000個(ge) 天體(ti) 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(wei) 150秒，對於(yu) 巡天中的每個(ge) 觀測天區會(hui) 進行兩(liang) 次曝光。天文上一般以星等表示天體(ti) 的明暗，星等越大表示天體(ti) 越暗，每相差5個(ge) 星等，天體(ti) 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(ti) 數值有差別）的天體(ti) 圖像，這要比人眼能夠看到的最暗的恒星還要暗上1億(yi) 倍。在這樣的觀測深度上，研究者可以在每個(ge) 平方角分看到30個(ge) 左右的星係。在整個(ge) 巡天周期裏，巡天模塊將會(hui) 覆蓋17500平方度的天區，是整個(ge) 天空麵積的40%，積累近20億(yi) 星係的高質量數據。

　　除了巡天模塊以外，巡天空間望遠鏡還將配備一係列的精測模塊，包括太赫茲(zi) 模塊，多通道成像儀(yi) ，積分視場光譜儀(yi) 和係外行星成像星冕儀(yi) 。這些儀(yi) 器將依托各自特點開展係外行星探測、星係核心區域空間可分辨光譜觀測，近鄰星係中性碳研究，宇宙超級深場觀測等眾(zhong) 多特色科學觀測。

　　巡天空間望遠鏡會(hui) 帶給我們(men) 什麽(me) ？這些科學問題值得期待

　　巡天空間望遠鏡會(hui) 幫助我們(men) 探索一些宇宙的基本問題，例如：宇宙由什麽(me) 物質構成，結構是什麽(me) 樣的，又是如何演化的？從(cong) 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(ti) 構成了我們(men) 生活的豐(feng) 富多彩的世界。但從(cong) 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。暗能量占據宇宙質能總量的70%左右，它的能量密度被認為(wei) 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(wei) 是驅動宇宙加速膨脹的原因。暗物質占據宇宙質能組成的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，而星係就形成在暗暈中，也被包裹在暗暈中。

　　這兩(liang) 種奇異的宇宙組分都不會(hui) 發光，天文學家需要通過它們(men) 的引力效應來探索它們(men) 。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係形態。這些星係發出的光線在穿過宇宙空間的時候，會(hui) 因為(wei) 宇宙空間中物質（以暗物質為(wei) 主）的引力作用發生微微的扭曲。天文學家通過測量海量的遙遠星係形態，可以從(cong) 中重建出宇宙暗物質的分布地圖。

　　巡天空間望遠鏡的20億(yi) 高清晰星係圖像極為(wei) 適合做這樣的工作，和這一課題相關(guan) 的儀(yi) 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係圖像，天文學家可以測繪170億(yi) 光年範圍內(nei) 的暗物質分布地圖。因為(wei) 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。考慮到這一點，巡天空間望遠鏡的引力透鏡分析實際上還帶給我們(men) 宇宙結構隨時間的演化，幫助我們(men) 確定宇宙的膨脹曆史，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，遙遠的星係會(hui) 和前景的星係在觀測者視線方向上重合，這種巧合出現的天體(ti) 構型會(hui) 產(chan) 生更為(wei) 強烈的引力透鏡效應，在有些情況下背景天體(ti) 甚至會(hui) 被扭曲成環形，這常被稱作“愛因斯坦環”。愛因斯坦環在研究小尺度暗物質分布方麵具有特殊的作用，提供幾種對暗物質本質研究的重要檢驗。在哈勃望遠鏡曆史上的觀測中，總共隻觀測了幾十個(ge) 漂亮的愛因斯坦環。而巡天空間望遠鏡隻需要1至2個(ge) 月就可以拍攝到同樣數量的愛因斯坦環。這就是巡天空間望遠鏡寬廣視場帶來的巨大優(you) 勢。

　　巡天空間望遠鏡提供給宇宙研究的遠不止於(yu) 引力透鏡，海量星係的亮度分布，星係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(hui) 把不同的分析手段交織在一起，期望能夠在好於(yu) 10%的精度上限製宇宙過去60年的膨脹曆史，進而探索暗能量和暗物質的本質。

　　宇宙整體(ti) 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係圖像和高質量光譜信息也將使天文學家得以研究星係本身在宇宙中的演化，理解它們(men) 如何誕生，如何獲得多姿多彩的形態，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係和近鄰宇宙的研究者拓展研究前沿，包括探索銀河係的邊界以及研究近鄰星係和銀河係共同的演化曆史等。此外，巡天望遠鏡同樣可能成為(wei) 搜索地外行星，研究太陽係內(nei) 小天體(ti) 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據也意味著科學分析變得更為(wei) 複雜和艱巨。在巡天望遠鏡全周期將會(hui) 產(chan) 生50PB的科學數據產(chan) 品，如此海量的數據將不可能由科學家下載到個(ge) 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台的科學工作聯合中心，負責領導一個(ge) 由天文學家、數據專(zhuan) 家和計算機專(zhuan) 家組成的團隊，這個(ge) 團隊將開發巡天空間望遠鏡的科學數據處理係統，對未來巡天空間望遠鏡的原始科學數據開展處理，產(chan) 生供全國乃至全世界天文學家使用的天文圖像和星表。天文學用戶將通過雲(yun) 平台接觸這些科學數據，開展進一步的科學研究。在科學準備方麵，載人航天工程成立了巡天空間望遠鏡的科學工作委員會(hui) ，並成立了“北京大學科學中心、國家天文台科學中心、長三角科學中心和大灣區科學中心”四個(ge) 區域科學研究中心。目前已經有數百位天文學家參與(yu) 到巡天空間望遠鏡的預研究中，它未來的研究內(nei) 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(wei) 我們(men) 掀開了宇宙的一角，那麽(me) 巡天空間望遠鏡將會(hui) 給人類帶回整個(ge) 宇宙全景的高清晰圖像。普通公眾(zhong) 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(li) 圖片，直觀的感受宇宙的浩瀚和美麗(li) 。

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