中國制造“飛天巨眼”

　　對2023年可能發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發射、部署工作，開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，我國首個大型巡天空間望遠鏡計劃于2023年發射，開展廣域巡天觀測，將在宇宙結構形成和演化、暗物質和暗能量、系外行星與太陽系天體等方面開展前沿科學研究。

　　空間光學觀測領域將升起的新星

　　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，FAST以其超大的體量規模、優異的探索能力和豐碩的初期探測成果收獲了超高的人氣，享譽海內外。與FAST相比，CSST目前的知名度雖然不那么高，但是對于業內人士來說，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。計算機記錄的結果顯示為許多曲線，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，發射質量約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，因此該望遠鏡占據最主要觀測時間的是巡天模塊。據詹虎透露，“巡天觀測”約占CSST運行時間的70%。

　　據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20億星系的高質量數據。

　　詹虎和李然在介紹CSST超強“巡天觀測”能力的同時，強調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、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，已經取得了豐碩的科研成果，CSST只有采取與之不同的創新設計，才能更進一步促進空間天文學的發展，進一步拓展人類認識的邊界。創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的太空望遠鏡，以更高的效率巡天觀測，更系統地研究宇宙空間。中國有關方面根據相關實際情況，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年壽命期內可以正常運行，有效避免出現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，實現超期“服役”。

　　歷時10余載不斷調整完善

　　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果。詹虎介紹說，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變化、結構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嚴重退化。再比如，空間站周圍可能存在的污染環境和顆粒物、空間站大致對地定向的姿態其結構對觀測方向的限制以及艙體和太陽帆板等各處表面產生的雜散光等因素，都不利于天文觀測。鑒于此，2015年，該方案被調整為CSST與空間站共軌獨立飛行并獲得批準。之后經過遴選，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、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展聯合試驗，進行發射場測試，最后擇機發射。

　　在CSST研制等工作緊鑼密鼓推進的同時，觀測數據處理準備工作已經著手推進。據李然介紹，CSST在全周期將會產生50PB的科學數據產品，有關部門已建立了一個由天文學家、數據專家和計算機專家組成的團隊，致力于開發CSST科學數據處理系統，產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科學工作聯合中心網站上，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大天區巡天和超深場觀測提供的豐富觀測數據，對宇宙加速膨脹和暗能量、暗物質等進行研究，對星系的形態結構及其演化、活動星系與超大質量黑洞等進行研究。

　　李然表示，CSST有望幫助人類探索并解答關于宇宙的物質構成、結構、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，都會帶來重大發現，甚至引發天文學和物理學革命性發展。CSST綜合性能優異，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現空間，為世界天文學的發展作出重要貢獻。