巡天空间望远镜：将伴“天和”探太空
2020年4月29日上午11时，我们20几个同事聚在一个小型会议室里目不转睛地观看央视转播的中国载人航天工程天和号核心舱的发射，随着倒计时，大家的心情逐渐紧张，看着火箭漂亮升空入轨，大家的心情又转为兴奋。有一个同事小声嘟囔：“可以鼓掌了吧？”顷刻间掌声和欢笑声充满了会议室。
天和号核心舱的发射拉开了中国空间站全面建设的序幕，今明两年载人航天工程还将继续实施其他空间站舱段的发射，货运飞船的发射和载人飞船的发射，最终完成空间站的在轨建造。而让我们这些天文学工作者兴奋的原因，还在于中国空间站工程未来的计划中还包含一个重达十几吨的用于最前沿天文学研究的光学舱。这个光学舱里架设着一个口径2米的光学望远镜，并配备了一系列最先进的探测器。这个光学舱将与空间站保持共轨飞行的状态，可以对接到空间站进行维修或更换探测设备。这个光学舱现在一般被称作“巡天空间望远镜”，预计于2024年前后投入科学运行。这将是中国天文学界有史以来获得的最先进也是最昂贵的研究设施，将可能带给人类对于宇宙的崭新认识。
为什么要把望远镜放到天上去？来看看哈勃望远镜
把望远镜放到天上去的最主要原因，是消除大气对天文观测带来的不利影响。
在地面上开展观测的光学望远镜需要透过大气层去观察星空，而大气是在不断运动的，光线在大气中的传播路径不断发生变化，使得地面上看到的星象变得模糊。天文学研究用天体在夜空中延伸的角度来描述天体的大小。如果我们将胳膊伸直，竖起食指，则手指的宽度挡住的视野宽度大约是1度，等于3600角秒。由于大气的存在，即使在地球上最优秀的观测地点，望远镜在光学波段的分辨能力也很难持续超过0.7角秒，而遥远宇宙中大多数星系只有几个角秒的大小，很多遥远的星系在地面望远镜上很难被分辨出任何结构。即使是观察一些近邻星系，地面的望远镜也无法分辨科学家感兴趣的精细结构。如果不能够消除大气的影响，我们就无法精确地研究宇宙天体。
早在1946年，莱曼·斯皮策（Lyman Spitzer）就大胆提出了将一个主镜面口径8米的空间望远镜放置在太空中的计划。这在当时是极为大胆也极为困难的计划，因为当时地面上最大的望远镜Hale望远镜也只有5米口径，更大的问题是人类当时还没有具备能够将任何一个物体发射到地球轨道的能力。
但这个想法经过不断演化，最终成为美国宇航局的哈勃望远镜计划。哈勃望远镜的计划一波三折，先是大幅的预算超支使得其差点夭折，而挑战者号航天飞机的失事又使得它的发射推迟。而当哈勃望远镜升入太空后，科学家却惊奇地发现望远镜并没有像想象中那样传回地球清晰的天文图像。经过一番检验，人们才发现原来是哈勃望远镜的主镜研磨出现了微小的误差，使得光学系统成像质量变差。为了解决这个问题，哈勃望远镜不得不在太空展开维修，加装改正镜。
即使经过了如此多的波折，当哈勃望远镜传回第一幅修正后的图像的时候，科学家还是被其精美的细节所折服。很多在地面上看起来模糊一团的天体结构，在哈勃望远镜的观测中立刻显现出清晰的结构。哈勃望远镜产生了众多重要的科学成果，包括：在10%的精度上精确测量哈勃常数，结束了长久以来的宇宙年龄之争；进一步证实了星系中心超大质量黑洞的存在，并帮助人们探索星系和超大质量黑洞之间的联系；帮助人们探索太阳系的演化，其观测展示了大型气态行星的极光，火星的天气系统，冥王星的新卫星，以及矮行星卫星的存在，其超深场观测显示了人类所能看到的最遥远的宇宙切片等。
除了科学贡献之外，哈勃望远镜用精美的图片彻底改变了天文学科普的面貌，帮助普通人更加深刻地理解空间探索的重要性。
能否超越哈勃望远镜？中国巡天空间望远镜是这样设计的
哈勃望远镜在轨运行已经超过30年，取得了丰硕的科研成果。在这个时候我们再次发射一个光学空间望远镜，采取怎样的设计才能够超越哈勃望远镜，更进一步拓展人类认识的边界呢？
这可以有两种思路，一种思路是建造更大口径的望远镜，这样可以看得更深，获得更暗弱天体的信息，美国将在今年发射的6.5米口径的詹姆斯韦伯太空望远镜就采取了这一思路。另一种思路是建造可以观察更广阔天区的望远镜，以更高的效率，更系统地去研究宇宙。进行后一种工作的望远镜一般被称作巡天式望远镜。
我们即将发射的巡天空间望远镜采取的方式就是后者。在它搭载的第一代仪器中，占据最主要观测时间的是巡天模块。这是一个视野极为宽阔的相机，视场达到1.1x1.2平方度。在成像质量和哈勃望远镜相当的情况下，巡天空间望远镜的视场达到了哈勃望远镜的300倍。为了能够接收广阔视场的信息，巡天空间望远镜在巡天相机上安置了30块探测器，总像素达到25亿。其中18块探测器上设置有不同的滤光片，这使得它可以获得宇宙天体在不同波段的图像，带给我们彩色的宇宙样貌；另外12块探测器则用于无缝光谱观测，每次曝光可以获得至少1000个天体的光谱信息。
巡天空间望远镜在巡天模式下的观测每次曝光约为150秒，对于巡天中的每个观测天区会进行两次曝光。天文上一般以星等表示天体的明暗，星等越大表示天体越暗，每相差5个星等，天体之间的亮度相差100倍。天上的织女星大约是0星等左右，人眼能够看到最暗的恒星是6星等。巡天空间望远镜在总共短短300秒的曝光时间，就可以获得低至26星等左右（不同波段具体数值有差别）的天体图像，这要比人眼能够看到的最暗的恒星还要暗上1亿倍。在这样的观测深度上，研究者可以在每个平方角分看到30个左右的星系。在整个巡天周期里，巡天模块将会覆盖17500平方度的天区，是整个天空面积的40%，积累近20亿星系的高质量数据。
除了巡天模块以外，巡天空间望远镜还将配备一系列的精测模块，包括太赫兹模块，多通道成像仪，积分视场光谱仪和系外行星成像星冕仪。这些仪器将依托各自特点开展系外行星探测、星系核心区域空间可分辨光谱观测，近邻星系中性碳研究，宇宙超级深场观测等众多特色科学观测。
巡天空间望远镜会带给我们什么？这些科学问题值得期待
巡天空间望远镜会帮助我们探索一些宇宙的基本问题，例如：宇宙由什么物质构成，结构是什么样的，又是如何演化的？从地球上的常识来看，世界当然是由原子物质构成的。原子包含原子核和电子，原子核又由中子和质子构成。原子的组合体构成了我们生活的丰富多彩的世界。但从宇宙的尺度上来看，暗能量和暗物质才是宇宙最主要的组成部分。暗能量占据宇宙质能总量的70%左右，它的能量密度被认为在宇宙处处相同（或者极其接近相同）。在人类日常生活的尺度上暗能量完全没有任何可观测的影响，但它被认为是驱动宇宙加速膨胀的原因。暗物质占据宇宙质能组成的26%左右，是原子物质的5倍以上，主导着宇宙的结构形成。暗物质相互之间有引力相互作用，可以聚集称作暗晕的团块，而星系就形成在暗晕中，也被包裹在暗晕中。
这两种奇异的宇宙组分都不会发光，天文学家需要通过它们的引力效应来探索它们。引力透镜是这些方法中最重要的一种。在这类研究中，天文学家需要测量遥远宇宙中的星系形态。这些星系发出的光线在穿过宇宙空间的时候，会因为宇宙空间中物质（以暗物质为主）的引力作用发生微微的扭曲。天文学家通过测量海量的遥远星系形态，可以从中重建出宇宙暗物质的分布地图。
巡天空间望远镜的20亿高清晰星系图像极为适合做这样的工作，和这一课题相关的仪器指标可以说是在下一代空间望远镜中领先的。利用巡天空间望远镜的星系图像，天文学家可以测绘170亿光年范围内的暗物质分布地图。因为光速是有限的，对遥远宇宙的观测实际上对应对宇宙早期的观测。考虑到这一点，巡天空间望远镜的引力透镜分析实际上还带给我们宇宙结构随时间的演化，帮助我们确定宇宙的膨胀历史，进而探索暗能量的性质是否随时间流逝而变化。
在某些特殊的情况下，遥远的星系会和前景的星系在观测者视线方向上重合，这种巧合出现的天体构型会产生更为强烈的引力透镜效应，在有些情况下背景天体甚至会被扭曲成环形，这常被称作“爱因斯坦环”。爱因斯坦环在研究小尺度暗物质分布方面具有特殊的作用，提供几种对暗物质本质研究的重要检验。在哈勃望远镜历史上的观测中，总共只观测了几十个漂亮的爱因斯坦环。而巡天空间望远镜只需要1至2个月就可以拍摄到同样数量的爱因斯坦环。这就是巡天空间望远镜宽广视场带来的巨大优势。
巡天空间望远镜提供给宇宙研究的远不止于引力透镜，海量星系的亮度分布，星系位置分布的信息中也同样包含着重要的宇宙结构和宇宙演化信息。天文学家将会把不同的分析手段交织在一起，期望能够在好于10%的精度上限制宇宙过去60年的膨胀历史，进而探索暗能量和暗物质的本质。
宇宙整体的研究是巡天空间望远镜的核心研究课题之一，除此之外，巡天空间望远镜拍摄的高清晰星系图像和高质量光谱信息也将使天文学家得以研究星系本身在宇宙中的演化，理解它们如何诞生，如何获得多姿多彩的形态，如何孕育恒星形成，如何在中心形成超大质量黑洞，如何走向演化的暮年。
同样的，巡天空间望远镜也可以帮助银河系和近邻宇宙的研究者拓展研究前沿，包括探索银河系的边界以及研究近邻星系和银河系共同的演化历史等。此外，巡天望远镜同样可能成为搜索地外行星，研究太阳系内小天体等课题的重要利器。
需要注意到的是，巡天望远镜带来的海量数据也意味着科学分析变得更为复杂和艰巨。在巡天望远镜全周期将会产生50PB的科学数据产品，如此海量的数据将不可能由科学家下载到个人电脑上进行处理。巡天空间望远镜在论证初期即对这一问题有所规划。目前，载人航天工程已经建立了依托中国科学院国家天文台的科学工作联合中心，负责领导一个由天文学家、数据专家和计算机专家组成的团队，这个团队将开发巡天空间望远镜的科学数据处理系统，对未来巡天空间望远镜的原始科学数据开展处理，产生供全国乃至全世界天文学家使用的天文图像和星表。天文学用户将通过云平台接触这些科学数据，开展进一步的科学研究。在科学准备方面，载人航天工程成立了巡天空间望远镜的科学工作委员会，并成立了“北京大学科学中心、国家天文台科学中心、长三角科学中心和大湾区科学中心”四个区域科学研究中心。目前已经有数百位天文学家参与到巡天空间望远镜的预研究中，它未来的研究内容仍然在不断增加和拓展。
中国载人航天工程巡天空间望远镜将是中国天文学迈向国际领先的巨大机遇。如果说哈勃望远镜用高清晰的图像为我们掀开了宇宙的一角，那么巡天空间望远镜将会给人类带回整个宇宙全景的高清晰图像。普通公众届时也将可能在网络上访问巡天空间望远镜拍摄到的美丽图片，直观的感受宇宙的浩瀚和美丽。
（作者：李然，系中国科学院国家天文台研究员）
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