雄心勃勃，中國(guó)建造首個(gè)大型太空光學(xué)望遠(yuǎn)鏡
中國(guó)巡天空間望遠(yuǎn)鏡示意圖
圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
在巡天的黃金時(shí)代，中國(guó)終于可以參與進(jìn)來(lái)，第一臺(tái)大型太空光學(xué)望遠(yuǎn)鏡CSST的升空，或?qū)?lái)影響深遠(yuǎn)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
撰文 | 邸利會(huì)
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在長(zhǎng)春的中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所內(nèi)，一個(gè)高約14米、長(zhǎng)20米的大型真空罐及其配套光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)正在建造當(dāng)中。
“這個(gè)是非常壯觀的，當(dāng)然代價(jià)也是很大了，（建造）也非常麻煩，但為了不至于入軌之后才發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，所以最好在地面上就先驗(yàn)證整機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)?！?中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員詹虎告訴《知識(shí)分子》。
詹虎的話引向一段著名的 “錯(cuò)誤”。
1990年4月25日，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡進(jìn)入到地球上方600多公里處的運(yùn)行軌道。不幸的是，很快研究人員發(fā)現(xiàn)，哈勃有嚴(yán)重的成像問(wèn)題，直到三年后，奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)將航天員送上去，問(wèn)題解決后才開(kāi)始了正常的觀測(cè)。
顯然，正在建造中的、中國(guó)第一臺(tái)大型太空光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，不希望再犯前人的錯(cuò)誤。
整機(jī)驗(yàn)證只是萬(wàn)里長(zhǎng)征路上的其中一步。這臺(tái)兩米口徑的大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，被稱(chēng)為載人空間站工程巡天空間望遠(yuǎn)鏡（Chinese Survey Space Telescope, 簡(jiǎn)稱(chēng)CSST，亦被稱(chēng)為Chinese Space Station Telescope），預(yù)計(jì)在2024年前后發(fā)射進(jìn)入近地軌道。屆時(shí)，它將和中國(guó)空間站在同一個(gè)軌道上飛行，目前規(guī)劃的運(yùn)行期為10年。
參照國(guó)際上差不多同期發(fā)射的空間巡天望遠(yuǎn)鏡——?dú)W洲航天局的歐幾里得（Euclid）和美國(guó)航天局的羅曼太空望遠(yuǎn)鏡（Roman Space Telescope），CSST研制費(fèi)用至少也在幾十億的量級(jí)。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)稱(chēng)，“CSST是我國(guó)載人空間站旗艦級(jí)項(xiàng)目，是我國(guó)迄今為止最大的空間天文基礎(chǔ)設(shè)施，具有大視場(chǎng)、高像質(zhì)、寬波段等突出特點(diǎn)，是我國(guó)天文科學(xué)邁向國(guó)際前沿的重大機(jī)遇?！?/span>
趕上巡天的黃金時(shí)代
此前，沒(méi)有誰(shuí)可以想到，中國(guó)可以擁有自己的旗艦級(jí)太空望遠(yuǎn)鏡。它的誕生要從建空間站說(shuō)起。
1986年，中國(guó)被美國(guó)等國(guó)家拒絕參與國(guó)際空間站。1992年，中國(guó)決定發(fā)展自己的載人空間站，代號(hào)921工程。
921工程包括了很多系統(tǒng)，其中第二個(gè)系統(tǒng)，即空間應(yīng)用系統(tǒng)由中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用總體部（以下簡(jiǎn)稱(chēng) “總體部”）來(lái)規(guī)劃。專(zhuān)家們一直在思考，中國(guó)空間站上應(yīng)該開(kāi)展什么樣的科學(xué)研究。
2009年12月，總體部在香山開(kāi)了一系列的會(huì)議，探討空間站的科學(xué)研究方向和所需的實(shí)驗(yàn)裝置，會(huì)上討論了建造一臺(tái)大口徑的空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的想法。來(lái)年4月，總體部在國(guó)家天文臺(tái)專(zhuān)門(mén)研討科學(xué)目標(biāo)，國(guó)家天文臺(tái)陳建生院士和胡景耀研究員提出，可以利用空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡做巡天。一般來(lái)說(shuō)，天文觀測(cè)分為普查和精測(cè)。巡天可以理解為是對(duì)大范圍的宇宙天體進(jìn)行普查。
巡天的提議得到了總體部顧逸東院士的大力支持。隨后，中科院國(guó)家天文臺(tái)、上海天文臺(tái)、紫金山天文臺(tái)、高能物理研究所，北京大學(xué)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位對(duì)空間站大口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)目標(biāo)進(jìn)行了論證；總體部組織中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、南京天文光學(xué)技術(shù)研究所、上海技術(shù)物理研究所、國(guó)家天文臺(tái)、紫金山天文臺(tái)等單位開(kāi)展了望遠(yuǎn)鏡及觀測(cè)終端的技術(shù)方案論證。
與此同時(shí)，美國(guó)在2010年也制訂了10年的天文研究規(guī)劃，在地基和空間的推薦項(xiàng)目中，排名第一的都是做巡天，包括了著名的時(shí)空遺跡巡天（Legacy Survey of Space and Time, LSST），現(xiàn)更名為薇拉·魯賓天文臺(tái)（Vera Rubin Observatory）和大視場(chǎng)紅外巡天望遠(yuǎn)鏡（Wide Field Infrared Survey Telescope，WFIRST），現(xiàn)更名為羅曼太空望遠(yuǎn)鏡。
2011年初，利用空間站光學(xué)望遠(yuǎn)鏡開(kāi)展巡天的報(bào)告提交給了總體部，年末通過(guò)了望遠(yuǎn)鏡的技術(shù)可行性評(píng)審；來(lái)年的3月初，空間站任務(wù)規(guī)劃委員會(huì)的100多位專(zhuān)家對(duì)空間站上的科研項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)議打分，CSST得到了載人航天工程的優(yōu)先支持。之后，經(jīng)過(guò)望遠(yuǎn)鏡多方案擇優(yōu)和經(jīng)費(fèi)評(píng)估，2013年11月，CSST正式立項(xiàng)。
在最初的計(jì)劃中，CSST是空間站的組成部分，安裝在實(shí)驗(yàn)艙II上。之后，為了改善CSST觀測(cè)運(yùn)行的條件，專(zhuān)家們探討了多種可能，蘇定強(qiáng)院士和張柏楠總師先后提議，將其改為獨(dú)立的空間望遠(yuǎn)鏡，與空間站在400公里高的軌道上 “共軌飛行”。這一提議得到了工程總體的支持，并于2014年初啟動(dòng)了論證工作。未來(lái)，在常規(guī)運(yùn)行期間，CSST會(huì)定期或根據(jù)需要與空間站對(duì)接，補(bǔ)給燃料和進(jìn)行維護(hù)、維修與升級(jí)。
對(duì)老一代天文學(xué)家、83歲的陳建生來(lái)說(shuō)，開(kāi)展大規(guī)模巡天一直是個(gè)夢(mèng)想。他是從使用手搖計(jì)算機(jī)、暗室里沖底片的年代走過(guò)來(lái)的。幾十年來(lái)，隨著探測(cè)器、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、空間、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步，他期待的太空巡天的黃金時(shí)代正在到來(lái)。
“對(duì)于地面巡天，上世紀(jì)八十年代時(shí)我們錯(cuò)過(guò)了機(jī)會(huì)，后來(lái)美國(guó)斯隆（SDSS）望遠(yuǎn)鏡做了，現(xiàn)在LSST也將開(kāi)始做。但是空間上的光學(xué)巡天還沒(méi)開(kāi)始做，而空間巡天又太重要了。因?yàn)樗梢赃_(dá)到比地面巡天好一個(gè)數(shù)量級(jí)的像質(zhì)，所以如果有機(jī)會(huì)能夠做空間巡天，意味著中國(guó)天文進(jìn)入了一個(gè)非常了不起的時(shí)代?！?陳建生說(shuō)。
如今，巡天已經(jīng)成為了天文學(xué)角逐的熱點(diǎn)。
地面巡天的代表、斯隆望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)運(yùn)行了20多年，繪制了最為精確的三維宇宙地圖，獲得了三分之一天空的深度多彩圖像，超過(guò)300萬(wàn)天體的光譜，并免費(fèi)分享給全世界，在宇宙學(xué)、類(lèi)星體、星系、銀河系、恒星、太陽(yáng)系、系外行星等領(lǐng)域取得豐碩的成果。同樣是地基望遠(yuǎn)鏡的薇拉·魯賓天文臺(tái)，將在2022年底在智利的安地斯山頂開(kāi)始運(yùn)行，開(kāi)展時(shí)空遺跡巡天。
而空間巡天方面，歐洲航天局稱(chēng)，歐幾里得太空望遠(yuǎn)鏡將在2022年底從法屬圭亞那的歐洲航天中心發(fā)射；美國(guó)航空航天局的羅曼望遠(yuǎn)鏡預(yù)計(jì)在2020年代中發(fā)射。俄羅斯和德國(guó)已經(jīng)發(fā)射了Spektr-RG太空望遠(yuǎn)鏡，集中在X射線。中法合作天文衛(wèi)星——空間變?cè)幢O(jiān)視器（SVOM，X射線、伽馬射線及光學(xué)）和中科院空間先導(dǎo)項(xiàng)目愛(ài)因斯坦探針衛(wèi)星（EP，X射線）計(jì)劃于2023年發(fā)射?？臻g望遠(yuǎn)鏡相比地基望遠(yuǎn)鏡，由于不受地球大氣的影響，可以進(jìn)行更多波段的觀測(cè)。
“CSST是兩米的口徑，比哈勃小一點(diǎn)，如果和哈勃一樣只做小視場(chǎng)的精細(xì)觀測(cè)，很難超越哈勃，所以當(dāng)時(shí)考慮空間站上做什么樣的大科學(xué)的裝置，在科學(xué)上才有亮點(diǎn)，才能超過(guò)人家，巡天正好是一個(gè)很好的方向。巡天做的好，不僅是有口徑，還得視場(chǎng)大?！?詹虎說(shuō)。
CSST有超過(guò)哈勃300倍的寬廣視場(chǎng)，視場(chǎng)大意味著一次觀測(cè)能夠看更大的范圍。
具體來(lái)說(shuō)，在10年的運(yùn)行期內(nèi)，CSST計(jì)劃對(duì)17500平方度（整個(gè)天空是41253平方度，17500平方度占整個(gè)天空的42.42%）的中高銀緯、中高黃緯天區(qū)進(jìn)行多波段成像和無(wú)縫光譜觀測(cè)，并對(duì)遴選的天體或天區(qū)開(kāi)展精細(xì)觀測(cè)研究，將獲取數(shù)十億恒星與星系的測(cè)光數(shù)據(jù)和數(shù)億條光譜，并通過(guò)直接成像搜尋和研究太陽(yáng)系外行星。
揭開(kāi)宇宙深邃的奧秘
建造昂貴的望遠(yuǎn)鏡，開(kāi)展大規(guī)模巡天，首要的目標(biāo)是探究宇宙的兩大謎團(tuán)——暗物質(zhì)和暗能量。
根據(jù)現(xiàn)今的理解，組成宇宙的68%是暗能量、27%是暗物質(zhì)，剩下的5%是我們熟知的物質(zhì)（氫和氦等原子）。然而，對(duì)于占宇宙絕大部分的暗能量和暗物質(zhì)，人們知之甚少。
暗物質(zhì)的提出和女天文學(xué)家薇拉·魯賓關(guān)系密切。她首次測(cè)量了恒星繞星系中心旋轉(zhuǎn)的速度。1962年，魯賓指出，根據(jù)已有的數(shù)據(jù)，不管恒星離星系中心的距離多遠(yuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度大體是不變的。幾年后，她和同事福特（Kent Ford）通過(guò)精確測(cè)量，證明暗物質(zhì)的存在，正是它們提供的引力才維持了星系的穩(wěn)定。我們的銀河系就被暗物質(zhì)所包裹，好像籠罩在一大片不可見(jiàn)的 “霧霾” 當(dāng)中。但暗物質(zhì)粒子無(wú)法用標(biāo)準(zhǔn)模型解釋?zhuān)B質(zhì)量多少都還不知道，這給直接的實(shí)驗(yàn)室探測(cè)增加了難度。
暗物質(zhì)驅(qū)動(dòng)了星系的形成與演化；此外，我們過(guò)去二十多年的天文觀測(cè)表明，宇宙是在加速的膨脹中，很多人推測(cè)是由暗能量所驅(qū)動(dòng)。
“現(xiàn)在對(duì)暗物質(zhì)、暗能量的研究，實(shí)際上缺少的還是海量的觀測(cè)數(shù)據(jù)。海量的數(shù)據(jù)能給出確鑿無(wú)疑的證據(jù)，把暗物質(zhì)、暗能量性質(zhì)的參數(shù)限定到非常小的誤差范圍內(nèi)，這樣物理屬性就基本被確定了。” 北京大學(xué)物理學(xué)院天文學(xué)系教授吳學(xué)兵說(shuō)。
包括CSST在內(nèi)的大型巡天項(xiàng)目都在試圖通過(guò)了解星系、暗物質(zhì)的分布、理解宇宙膨脹的歷史、大尺度結(jié)構(gòu)的生成，弄明白暗能量的本質(zhì)（或者愛(ài)因斯坦引力理論在宇宙尺度上是否還正確）。
圖1 這個(gè)又大又藍(lán)，可以環(huán)繞整個(gè)星系的是什么？是引力透鏡造成的海市蜃樓 | 圖源：Astronomy Picture of the Day，APOD
具體來(lái)說(shuō)，天文學(xué)家手上有幾個(gè)工具，其中之一就是引力透鏡。
引力透鏡效應(yīng)的發(fā)生，是由于物質(zhì)的存在造成了時(shí)空的扭曲。比如，當(dāng)遙遠(yuǎn)的星系發(fā)出的光經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的路途到達(dá)人眼，在這條光路上，如果恰好有某些大質(zhì)量物質(zhì)（不管是可見(jiàn)的恒星、星系、黑洞還是不可見(jiàn)的暗物質(zhì)）身處其中，你看到的遙遠(yuǎn)星系的圖像就會(huì)有變形。通過(guò)測(cè)量這種形變，天文學(xué)家可以推斷出這個(gè)中間物質(zhì)的質(zhì)量。
另外，天文學(xué)家還會(huì)利用紅移來(lái)測(cè)量星系的距離，為繪制宇宙的星系、暗物質(zhì)分布地圖增加第三個(gè)維度。
宇宙的膨脹會(huì)同時(shí)拉伸光的波長(zhǎng)，這一過(guò)程稱(chēng)為紅移。天體越是遠(yuǎn)，其發(fā)出的光的波長(zhǎng)就被拉的越長(zhǎng)。更遙遠(yuǎn)的星系，其發(fā)出的所有可見(jiàn)光恐怕都已經(jīng)變?yōu)榱思t外線。天文學(xué)家可以通過(guò)光變紅的程度來(lái)判斷星系有多遠(yuǎn)。
有趣的是，看得遠(yuǎn)也相當(dāng)于是看的早，所以三維的宇宙地圖事實(shí)上也提供了宇宙演化的歷史紀(jì)錄，進(jìn)而有助于理解暗能量是如何一步步推動(dòng)宇宙膨脹的。
還有一項(xiàng)技術(shù)是觀察重子聲波振蕩（Baryon Acoustic Oscillations，BAO）的遺跡。
宇宙早期，大量的重子和光子開(kāi)始聚集，其中的微小擾動(dòng)以聲波的形式傳播。當(dāng)宇宙年齡達(dá)到38萬(wàn)年左右時(shí)，原子首次形成，物質(zhì)更有效地冷卻，重力開(kāi)始占主導(dǎo)地位，大尺度結(jié)構(gòu)開(kāi)始形成，這些波就被 “凍” 住了。隨后，在這些波紋上，演化出了星系等結(jié)構(gòu)。
檢測(cè)重子聲波振蕩的特征非常有用，因?yàn)槠浯笮∮稍缙谟钪婕捌浣M成部分，正常（重子）物質(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量的特性所決定。重子聲波特征隨宇宙時(shí)間變化的方式，可用于測(cè)量宇宙的膨脹及其演變方式。之前，因?yàn)樯形从^察到足夠量的處在宇宙較為年輕階段的星系樣本，科學(xué)家還沒(méi)能很細(xì)致地研究重子聲波振蕩在那個(gè)階段的印記。如今，大型的巡天望遠(yuǎn)鏡正好勝任這項(xiàng)工作。
當(dāng)然，天文學(xué)家還會(huì)有別的手段，比如測(cè)量超新星的亮度和距離，也會(huì)為暗能量的存在提供證據(jù)。
除了研究暗物質(zhì)和暗能量之謎，CSST配備的星冕儀還可以探測(cè)太陽(yáng)系外的行星。發(fā)現(xiàn)系外行星的一個(gè)手段是測(cè)量恒星的亮度變化，這是由繞行而過(guò)的行星短暫遮擋而導(dǎo)致。而星冕儀則是通過(guò)強(qiáng)烈地抑制恒星的光，從而看到恒星邊上、未形成遮擋關(guān)系的暗弱行星。
CSST也會(huì)對(duì)超大質(zhì)量黑洞的研究產(chǎn)生積極影響。
“CSST有這么大天區(qū)面積的巡天，如果拍攝上億個(gè)星系，可能會(huì)找到大概千萬(wàn)或至少百萬(wàn)以上的比較活躍的星系，它們中心都有一個(gè)活躍的超大質(zhì)量黑洞，通過(guò)光譜、圖像可以把這些黑洞的很多性質(zhì)分析得非常清楚，比如有多重，每年吃進(jìn)去多少物質(zhì)，我們可以把這些很重要的一些物理參量測(cè)量出來(lái)。普查上億個(gè)星系，詳細(xì)研究幾百萬(wàn)個(gè)超大質(zhì)量黑洞的性質(zhì)，這都是空前的。” 吳學(xué)兵告訴《知識(shí)分子》。
預(yù)期，CSST將在暗物質(zhì)和暗能量、宇宙大尺度結(jié)構(gòu)、星系和超大質(zhì)量黑洞形成和演化、宇宙早期化學(xué)增豐歷史（指銀河系形成的初期，研究銀河系里最古老的一代恒星，可以追溯到大約132億年前）、系外行星等天文領(lǐng)域和基礎(chǔ)物理領(lǐng)域的重大問(wèn)題上取得重要進(jìn)展。
三大空間望遠(yuǎn)鏡，各具優(yōu)勢(shì)
值得注意的是，歐幾里得、CSST、羅曼三大空間望遠(yuǎn)鏡在差不多的時(shí)段開(kāi)展巡天，科學(xué)目標(biāo)方面也較為相近。
根據(jù)官方的介紹，歐幾里得將覆蓋超過(guò)三分之一（15000平方度）的天空，在可見(jiàn)光和近紅外波段將測(cè)得至少10億星系的形狀、上億星系的精確紅移（相當(dāng)于距離）。羅曼也具備大的視場(chǎng)，其一張圖片相當(dāng)于哈勃同樣細(xì)節(jié)的100張圖，在運(yùn)行期間，預(yù)計(jì)將測(cè)量10億個(gè)星系，測(cè)量幾億星系中普通物質(zhì)和暗物質(zhì)的位置和數(shù)量。
“通過(guò)觀測(cè)上億星系，仔細(xì)研究它們的特征，就可以弄清楚整個(gè)宇宙的很多規(guī)律，包括暗物質(zhì)、暗能量的性質(zhì)，這正是所有這些巡天項(xiàng)目都希望達(dá)成的目標(biāo)，那就看誰(shuí)的樣本足夠大，誰(shuí)探測(cè)的信息足夠多，誰(shuí)能看得更遠(yuǎn)。” 吳學(xué)兵說(shuō)。
圖2 宇宙膨脹的歷史 | 圖源：美國(guó)航空航天局
從觀測(cè)波段看，CSST主要覆蓋近紫外到近紅外波段（0.25～1微米），而歐幾里得和羅曼有一大部分的觀測(cè)是在近紅外，羅曼2.4米的鏡子是歐幾里得的兩倍大，可以看得更深（波段0.5～2.3微米）。
歐幾里得和羅曼可以看到宇宙中極其遙遠(yuǎn)的星系。歐幾里得宣稱(chēng)，測(cè)量的星系可以遠(yuǎn)至百億光年；而羅曼則能夠看到不到3億年的宇宙（當(dāng)前138億宇宙年齡的2%左右）。
歐幾里得和羅曼羅曼之所以看的遠(yuǎn)，是因?yàn)槠鋼碛懈咝阅艿募t外探測(cè)器（該探測(cè)器對(duì)中國(guó)禁運(yùn)）。
一些宇宙最遙遠(yuǎn)的天體發(fā)出的光，基本都已經(jīng)紅移到紅外波段；此外，一些比較冷的天體，輻射也基本是在紅外波段?？吹倪h(yuǎn)可以了解恒星和星系何時(shí)開(kāi)始形成。
星系的起源仍然是個(gè)謎，最初形成的天體極其微弱，稀疏地散布在宇宙中。羅曼據(jù)稱(chēng)可以找到足夠多的第一代星系，發(fā)現(xiàn)成百上千個(gè)最遙遠(yuǎn)、最年輕的星系，測(cè)量其年齡、并研究它們?nèi)绾尉奂⒑阈侨绾涡纬?。往后推，羅曼可以觀測(cè)大爆炸后8到10億年間的星系，那時(shí)，在暗物質(zhì)的影響下，星系剛開(kāi)始聚集形成星系團(tuán)。在探測(cè)重子聲波振蕩遺跡方面，羅曼可以測(cè)到宇宙約6億年的年齡（當(dāng)前宇宙年齡的4%）時(shí)的情況。
此外，強(qiáng)的紅外探測(cè)能力也可以看到更多銀河系內(nèi)的恒星。
銀河系充滿了塵埃和氣體帶，影響到恒星的觀察。紅外光的波長(zhǎng)比可見(jiàn)光長(zhǎng)，意味著在長(zhǎng)距離傳播時(shí)不太可能被小塵埃顆粒散射和吸收。羅曼升級(jí)后的紅外探測(cè)能力可以穿透比之前多兩到三倍的灰塵，看到銀河系內(nèi)那些小而暗的、主要發(fā)紅外光的恒星。
與歐幾里得類(lèi)似，CSST主要觀測(cè)黃道光背景和恒星密度較低的天區(qū)，方向集中在中高銀緯和中高黃緯（部分銀盤(pán)、核球區(qū)域的觀測(cè)也在策劃中），這些天區(qū)更有利于河外科學(xué)研究，在銀河系方面的研究會(huì)打一定折扣。
“不過(guò)在銀河系，即使不看銀盤(pán)或者核球區(qū)域，在中高銀緯的銀暈里面的恒星，它的演化、星族成分、運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)等，對(duì)銀河系研究都是非常有用的。同樣，對(duì)于中高黃緯的觀測(cè)，盡管太陽(yáng)系天體很多是在黃道面上，或者它們的軌道傾角比較低，但也有一些就是軌道高傾角的小天體，反而是很有意思的研究對(duì)象?！?詹虎說(shuō)。
在發(fā)現(xiàn)系外行星方面，羅曼將利用微引力透鏡調(diào)查1億顆恒星，意在發(fā)現(xiàn)2500顆新的系外行星。之前美國(guó)宇航局的開(kāi)普勒衛(wèi)星和凌日系外行星巡天衛(wèi)星（TESS），已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了4000 多顆系外行星，但大多是圍繞昏暗恒星運(yùn)行的大型行星。羅曼將找尋類(lèi)似地球的、較小的、圍繞明亮恒星運(yùn)行的巖石行星，希望有朝一日能找到類(lèi)似于地球的宜居世界。
CSST、歐幾里得和羅曼的觀測(cè)，都包括了大面積天區(qū)的普查和面積小但更深的深場(chǎng)觀測(cè)，同時(shí)也有部分觀測(cè)時(shí)間可供天文學(xué)家申請(qǐng)。羅曼的超深場(chǎng)（ultra-deep field）可能類(lèi)似于哈勃的超深場(chǎng)——在一個(gè)方向上觀察數(shù)百小時(shí)，以構(gòu)建非常微弱、遙遠(yuǎn)天體的極其細(xì)致的圖像。相比于哈勃以這種方式獲得的數(shù)千星系，羅曼將收集到數(shù)百萬(wàn)個(gè)。
此外，CSST是在近地軌道飛行，而歐幾里得和羅曼則是在拉格朗日L2點(diǎn)，衛(wèi)星的穩(wěn)定性較好。不過(guò)，CSST在穩(wěn)定性方面也達(dá)到了前所未有的高度，其朝向天空的光軸的晃動(dòng)可以控制在5%角秒之內(nèi)。一個(gè)角秒所代表的角度十分微小，大概是200米遠(yuǎn)的一粒小米，其直徑到觀察者眼睛的張角。5%角秒又是這個(gè)精度的20倍。
從光學(xué)成像的質(zhì)量來(lái)說(shuō)，相比以近紅外觀測(cè)為主的羅曼，CSST產(chǎn)生的像斑能量更為集中；另外，CSST因?yàn)槭请x軸的望遠(yuǎn)鏡，像斑沒(méi)有副鏡支撐所帶來(lái)的衍射圖案，對(duì)于測(cè)量引力透鏡比較有利。
CSST對(duì)近紫外波段的觀測(cè)，是歐幾里得和羅曼所不具備的?！案叻直媛实慕贤庋蔡斓脑挘F(xiàn)在還沒(méi)有，這是CSST很獨(dú)特的一個(gè)地方，估計(jì)十幾年的時(shí)間里世界上也不會(huì)有大型的空間的紫外天文望遠(yuǎn)鏡?！?詹虎說(shuō)。
CSST還配備了獨(dú)家的儀器，比如太赫茲模塊，積分視場(chǎng)光譜儀、多通道成像儀。
“積分視場(chǎng)光譜儀挺有意思，可以把一個(gè)小的展源，像二維的星系，它可以切割成很多份，每一份都做光譜，所以既有位置的信息，又有光譜的信息，能把星系的結(jié)構(gòu)上面不同地方的結(jié)構(gòu)的光譜都能提取出來(lái)。多通道的成像儀，是將望遠(yuǎn)鏡過(guò)來(lái)的光分成三個(gè)寬的波段，同時(shí)觀測(cè)這三個(gè)波段，這也是他們這幾個(gè)望遠(yuǎn)鏡里面是沒(méi)有的?！?詹虎說(shuō)。
同一片天空
共同的科學(xué)目標(biāo)，運(yùn)行時(shí)間上的重疊，使得匯集和比較三個(gè)空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果非常有用。
“歐幾里得，羅曼，他們的長(zhǎng)處都是在紅外波段；CSST在紫外和光學(xué)波段空間分辨率是非常好的，實(shí)際上是有點(diǎn)互補(bǔ)，三者結(jié)合起來(lái)其實(shí)是一個(gè)最佳的選擇。但即使是不能結(jié)合，CSST有紫外、光學(xué)波段這么強(qiáng)的觀測(cè)能力，還是能夠做非常好的研究的，所以我們現(xiàn)在是以我為主，如果能夠合作當(dāng)然更好?！?吳學(xué)兵說(shuō)。
CSST在利用引力透鏡現(xiàn)象做觀測(cè)方面具備優(yōu)勢(shì)。一般來(lái)說(shuō)，用引力透鏡現(xiàn)象來(lái)研究宇宙學(xué)模型、暗能量方程，至少包括對(duì)星系形狀的測(cè)量以及確定背景星系的紅移。
“紅移的確定，就特別需要可見(jiàn)光多波段的觀測(cè)，CSST在這方面是很完備的。如果只有紅外的數(shù)據(jù)，是沒(méi)辦法的。所以歐幾里得和羅曼用弱引力透鏡研究宇宙學(xué)的話，必須有其他的項(xiàng)目提供可見(jiàn)光的多波段的測(cè)光數(shù)據(jù)。沒(méi)有CSST之前，他們都是找地面的一些項(xiàng)目去談合作，但地面和空間的觀測(cè)分辨率還是非常不一樣的?！?詹虎說(shuō)。
這些地面的項(xiàng)目，可能就包括2022年底即將在智利開(kāi)始全面運(yùn)行的魯賓天文臺(tái)。屆時(shí)，通過(guò)對(duì)星系進(jìn)行多色測(cè)量，魯賓就可以告訴我們這些星系有多遠(yuǎn)。
可以設(shè)想，在歐幾里得開(kāi)展大規(guī)模巡天時(shí)，魯賓可以隔幾晚回到歐幾里得曾經(jīng)觀測(cè)過(guò)的同一個(gè)天區(qū)，觀察隨著時(shí)間的推移所發(fā)生的變化。魯賓第一年的數(shù)據(jù)與歐幾里得同一天區(qū)的數(shù)據(jù)將是一個(gè)不錯(cuò)的組合；魯賓長(zhǎng)達(dá)十年的光學(xué)數(shù)據(jù)和羅曼的紅外測(cè)量的結(jié)合也會(huì)很強(qiáng)大。
在天、地望遠(yuǎn)鏡配合方面，中國(guó)望遠(yuǎn)鏡還存在一定的短板。
“談到跟地面的配合，相比歐幾里得或者是羅曼，我們還是有所欠缺的，因?yàn)橹袊?guó)地面光學(xué)天文的大設(shè)備還是很缺乏的。歐洲和美國(guó)都有大型的8至10米的地面光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡。我一直呼吁中國(guó)也要建一些大型的地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，要早點(diǎn)解決，我們兩米口徑的空間望遠(yuǎn)鏡即使發(fā)現(xiàn)一個(gè)東西，也還需要做做精細(xì)的光譜觀測(cè)，而CSST本身光譜的功能還是比較弱的，雖然有無(wú)縫光譜，但只有兩三百的譜分辨率，有時(shí)是不夠的。地面望遠(yuǎn)鏡沒(méi)有大口徑的，就做不了很精細(xì)的跟蹤研究，這的確是一個(gè)缺陷?！?吳學(xué)兵說(shuō)。
普查和精測(cè)的結(jié)合，也可能發(fā)生在不同的太空望遠(yuǎn)鏡之間。比如，如果羅曼發(fā)現(xiàn)了一些有趣天體，韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（The James Webb Space Telescope）后續(xù)可以選擇其作為主要目標(biāo)，進(jìn)行更詳細(xì)的觀測(cè)。
至少，三大空間望遠(yuǎn)鏡的重疊結(jié)果可用于相互檢查系統(tǒng)誤差，這在高精度觀測(cè)宇宙學(xué)不確定性的來(lái)源中是最重要的。詹虎透露，目前，CSST、歐幾里得、羅曼等已經(jīng)在探討可能進(jìn)行的一些合作。
一系列挑戰(zhàn)
CSST無(wú)疑是一項(xiàng)復(fù)雜而艱巨的任務(wù)，從望遠(yuǎn)鏡本身到攜帶的設(shè)備，都有很多的機(jī)構(gòu)參與研制（比如，承研及合作單位就包括了中國(guó)空間技術(shù)研究院、中科院長(zhǎng)春光機(jī)所、上海技物所、國(guó)家天文臺(tái)、光電技術(shù)研究所、紫金山天文臺(tái)、南京天光所、西安光機(jī)所、上海天文臺(tái)等），而后續(xù)的觀測(cè)和科學(xué)數(shù)據(jù)分析，對(duì)于第一次從事如此規(guī)模的太空光學(xué)望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的中國(guó)科研人員，同樣是挑戰(zhàn)。
2020年，經(jīng)載人航天工程辦公室批準(zhǔn)，CSST成立了科學(xué)工作聯(lián)合中心和四個(gè)科學(xué)中心：北京大學(xué)科學(xué)中心、國(guó)家天文臺(tái)科學(xué)中心、長(zhǎng)三角地區(qū)科學(xué)中心和粵港澳大灣區(qū)科學(xué)中心。而每一個(gè)科學(xué)中心都有很多的單位參與組成（例如，國(guó)家天文臺(tái)科學(xué)中心還包括了國(guó)家天文臺(tái)、云南天文臺(tái)、云南大學(xué)、清華大學(xué)、北京師范大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、理論物理研究所等單位，計(jì)劃利用CSST全面開(kāi)展天文科學(xué)研究）。
今年，科學(xué)中心的首批24項(xiàng)科學(xué)研究課題已經(jīng)完成立項(xiàng)評(píng)審。然而，除了每個(gè)科學(xué)組拿到的40萬(wàn)啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)，課題的大部分經(jīng)費(fèi)還在逐步撥付之中，預(yù)計(jì)年底到位。
一般情況下，從預(yù)制開(kāi)始，在望遠(yuǎn)鏡還未正式發(fā)射之前，科學(xué)團(tuán)隊(duì)就應(yīng)得到資金的支持，開(kāi)展軟件研發(fā)、數(shù)據(jù)分析、仿真等一系列科學(xué)準(zhǔn)備工作。一旦望遠(yuǎn)鏡入軌完成調(diào)試，數(shù)據(jù)源源不斷下傳后，馬上就可以產(chǎn)出科研成果；同時(shí)，發(fā)射前的科學(xué)準(zhǔn)備工作做的充分，也利于望遠(yuǎn)鏡的在軌調(diào)試。
“這個(gè)問(wèn)題很重要，我們不能等著望遠(yuǎn)鏡上線以后再來(lái)準(zhǔn)備做事情，前期的研究是非常重要的。實(shí)際上我們前期的研究去年才剛剛開(kāi)始來(lái)布局，相比起歐幾里得或者是羅曼，起步已經(jīng)有點(diǎn)晚了?！?吳學(xué)兵說(shuō)。
吳學(xué)兵所在的北京大學(xué)科學(xué)中心主要負(fù)責(zé)星系領(lǐng)域的研究，目前正組織團(tuán)隊(duì)利用一些盡可能找得到的數(shù)據(jù)（比如哈勃的各種類(lèi)型星系的圖片和光譜數(shù)據(jù)）做一些模擬，積累研究經(jīng)驗(yàn)。
CSST的科研經(jīng)費(fèi)主要從載人航天工程里取得，未來(lái)可能會(huì)尋求科技部、基金委、中科院等的資助。
CSST升空后，如果按照一天觀測(cè)300次、每張圖片5GB計(jì)算，一天的數(shù)據(jù)量將達(dá)到1.5TB。應(yīng)對(duì)海量數(shù)據(jù)的分析，首要的是有足夠多的人才，但這方面的缺口仍不小。
“24個(gè)課題大概有400多人參與，但問(wèn)題是這些人也有很多其他的工作，不是全都只做一個(gè)項(xiàng)目，而且假如國(guó)內(nèi)光學(xué)天文界有三、四百人做這個(gè)項(xiàng)目，基本上就把這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的天文學(xué)家全都包括進(jìn)來(lái)了。在美國(guó)、歐洲，同樣體量的項(xiàng)目大約有上千人的參與，但也只占他們天文圈一小部分人力。” 詹虎說(shuō)。
吳學(xué)兵希望，在今后一兩年，可以把CSST科研團(tuán)隊(duì)迅速積累起來(lái)，這樣到2024年望遠(yuǎn)鏡升空后，就可以有個(gè)較完整的團(tuán)隊(duì)?！斑@個(gè)問(wèn)題其實(shí)是很突出的，不光是在北大科學(xué)中心負(fù)責(zé)的星系這個(gè)領(lǐng)域，在其他的各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域，利用空間望遠(yuǎn)鏡來(lái)做科學(xué)研究的中國(guó)團(tuán)隊(duì)規(guī)模還是太小了，而且很缺乏經(jīng)驗(yàn)。” 他說(shuō)。
國(guó)際合作可能是一個(gè)較好的彌補(bǔ)人才不足的途徑。同時(shí)，對(duì)于缺乏大型空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的中國(guó)科研人員，國(guó)際合作也能提供交流學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。
與此同時(shí)，CSST的科學(xué)工作委員會(huì)已經(jīng)把吸引、擴(kuò)大研究團(tuán)隊(duì)作為當(dāng)務(wù)之急，無(wú)論是通過(guò)海外招聘還是本土培養(yǎng)，甚至包括把一些研究生的課題調(diào)整到CSST相關(guān)的科研領(lǐng)域中來(lái)。
今年以來(lái)，在多個(gè)場(chǎng)合，陳建生對(duì)公眾（甚至包括中學(xué)生）發(fā)表演講，對(duì)CSST大加推廣，期待未來(lái)的生力軍可以加入進(jìn)來(lái)。
吳學(xué)兵相信，三大巡天望遠(yuǎn)鏡上天，覆蓋的范圍從紫外到光學(xué)再到紅外，巡天的面積前所未有的大，各種數(shù)據(jù)空前的多，肯定會(huì)對(duì)宇宙研究帶來(lái)革命性的認(rèn)識(shí)。
“想想哈勃升空之前，人類(lèi)對(duì)宇宙的了解是怎樣的，到今天哈勃工作了30年，帶給我們的對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)有多大，你可以比較一下，很多都是革命性的——宇宙是加速膨脹的，有暗能量的存在等等。這三大望遠(yuǎn)鏡上天工作，10年以后，你也很難想象，我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)會(huì)發(fā)生怎樣的變化。” 吳學(xué)兵說(shuō)。
慶幸的是，在巡天的黃金時(shí)代，中國(guó)終于可以參與進(jìn)來(lái)，CSST的升空或?qū)?lái)影響深遠(yuǎn)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。“作為中國(guó)的天文學(xué)家，見(jiàn)證載人航天工程支持建造這么一個(gè)大口徑空間望遠(yuǎn)鏡的項(xiàng)目，是之前想都不敢想的事情?！?nbsp;詹虎感嘆道。在他看來(lái)，不僅是對(duì)年輕人，CSST對(duì)任何一個(gè)天文研究者，都是一個(gè)激動(dòng)人心的項(xiàng)目。
參考資料：
1. https://www.euclid-ec.org/
2. https://roman.gsfc.nasa.gov/
制版編輯 | 盧卡斯
