“飛天巨眼”中國造

張保淑

在天文望遠(yuǎn)鏡領(lǐng)域，我國下一步的計劃是什么？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，我國將適時啟動中國巡天空間望遠(yuǎn)鏡（CSST）的發(fā)射、部署工作。屆時，CSST將進(jìn)入太空與天宮空間站共軌獨(dú)立飛行。

CSST是中國載人航天工程規(guī)劃建設(shè)的大型空間天文望遠(yuǎn)鏡，被稱為“飛天巨眼”，兼具大視場和高像質(zhì)的優(yōu)異性能，以大規(guī)模天文巡天為主任務(wù)，致力于成為一個面向國際開放的、先進(jìn)的空間天文臺。

冉冉升起的新星

說到我國的天文望遠(yuǎn)鏡，很多人第一時間想到的可能是“中國天眼”，即位于貴州的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）。與FAST相比，CSST目前的知名度雖然不高，但是對于業(yè)內(nèi)人士來說，它是一顆在空間光學(xué)觀測領(lǐng)域冉冉升起的新星。

FAST與CSST分屬不同的天文望遠(yuǎn)鏡類型，F(xiàn)AST是射電望遠(yuǎn)鏡，接收的是天體發(fā)出的無線電波，CSST則是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，捕捉的是近紫外至可見光波段，通過組成望遠(yuǎn)鏡的直徑大、焦距長的物鏡和直徑小、焦距短的目鏡，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離物體近處成像。

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(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測能力有限。隨著航天科技的進(jìn)步，可以消除上述因素影響的空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡應(yīng)運(yùn)而生，這就是分別于1990年4月和2021年12月升空的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡。中國巡天空間望遠(yuǎn)鏡將緊隨其后，成為人類新的“飛天巨眼”。

擁有五大裝備

CSST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(yuǎn)鏡科學(xué)工作聯(lián)合中心主任、國家天文臺副臺長劉繼峰這樣描述：“大小相當(dāng)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(yuǎn)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(xué)設(shè)施責(zé)任科學(xué)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(xué)設(shè)施段”，前者是CSST的“資源艙”，負(fù)責(zé)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(shè)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(jìn)行普查，能夠清晰、精細(xì)地觀察到成千上萬的星系，帶來全景式宇宙高清圖。詹虎透露，巡天觀測約占CSST運(yùn)行時間的70%。

中國科學(xué)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(dá)到25億。其中，18塊探測器上設(shè)置有不同的濾光片，這使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1？000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)。

十余載不斷完善

CSST是中國科學(xué)家特別是光學(xué)、天文學(xué)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(yīng)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(xué)、天文學(xué)、生命科學(xué)、地球科學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)目標(biāo)與研究方向，由此拉開了CSST項目的序幕。2013年，CSST正式立項。

根據(jù)立項時的方案，CSST是與空間站實(shí)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會使凝視觀測的像質(zhì)嚴(yán)重退化。再比如，空間站周圍可能存在的顆粒物、艙體和太陽帆板等各處表面產(chǎn)生的雜散光等不利于天文觀測。

鑒于此，2015年，該方案被調(diào)整為CSST與空間站共軌獨(dú)立飛行并獲得批準(zhǔn)。之后經(jīng)過遴選，CSST配備的5臺觀測設(shè)備被確定下來。2022年4月，CSST初樣研制進(jìn)入關(guān)鍵期。2022年底，初樣鑒定件研制完成。

在CSST各項工作緊鑼密鼓進(jìn)行的同時，觀測數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)備工作已經(jīng)著手推進(jìn)。李然介紹，CSST在全周期將會產(chǎn)生50？PB（數(shù)據(jù)存儲單位，1？PB=1？024？TB）的科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，有關(guān)部門已建立了一個由天文學(xué)家、數(shù)據(jù)專家和計算機(jī)專家組成的團(tuán)隊，致力于開發(fā)CSST科學(xué)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，產(chǎn)生供全國乃至全世界科學(xué)家使用的天文圖像和星表。

CSST還未升空，但它致力于打造的面向國際開放的、先進(jìn)的空間天文臺將為人類認(rèn)識世界提供新的可能性，吸引了全球科學(xué)家特別是天文學(xué)家、物理學(xué)家的目光。