征战太空望远镜

　　11.6吨重、造价近30亿美元的美国哈勃望远镜，已在太空服役25年。它的上天，曾是人类太空史的重大事件；服役期间，它功勋卓著——

　　帮助天文学家将宇宙的年龄精确到130亿年至140亿年之间,证实了星系中央存在黑洞,发现年轻恒星周围孕育行星的尘埃盘，拍下了彗星撞击木星的照片，帮助确认宇宙中存在暗能量⋯⋯

　　作为第一座太空望远镜，它让人类更清晰地观察宇宙。但在2011年美国的航天飞机退役之后，科学家对哈勃望远镜的维护也告一段落。虽然科学家仍然希望它能继续工作五年到六年，但为它寻找继任者已是当务之急。

　　让人期待的是，中国官方近日宣布，中国版的哈勃天文望远镜已正式立项，将于不久的将来升空。

　　3月7日，全国人大代表、军委装备发展部副部长张育林在接受新华社记者采访时透露，中国将于2020年后建成“天宫三号”空间站，届时将发射一个单独的光学舱，在功能上类似哈勃太空望远镜，视场是哈勃的300倍。

　　这一光学舱将与空间站保持一定距离进行共轨飞行，需要补加推进剂或维护升级时，会与空间站交会对接，由航天员操作。这一设计，有望解决空间天文望远镜耗资巨大的维护问题。

　　事实上，中国在征战天文望远镜之路上，已行进多年。中国的天文学家们，一直希望有一座自己的空间天文望远镜，但由于学术界一直没能达成共识，这座在十年前就被称为哈勃望远镜中国版的天文望远镜，一直没能升空。

　　好消息是，2016年下半年，中国第一颗天文卫星——硬X射线探测卫星即将发射升空，这个曾经的中国版哈勃望远镜即将变成现实。按照计划，在硬X射线探测卫星升空后，发射一座远远超过哈勃的空间望远镜，将尽快推进。

　　未来，中国版的哈勃望远镜，将和国际上众多的哈勃望远镜继任者们一起，继续为人类开辟认识宇宙的边疆。

继承者们

　　自从1609年伽利略将望远镜对准星空，400多年来，望远镜作为人类最重要的科学发明之一，深刻改变了人类对宇宙的认识。但是，随着人类将视线投向更加遥远的宇宙深处，地面上的望远镜不得不面对一个严峻的问题：地球大气层对观测的干扰。

　　天文学家为解决这个问题做了很多努力。他们试着将望远镜建在高海拔地区或者渺无人烟的地方，但是大气对观测还是会产生干扰，特别是在某些信号本身就很微弱的情况下，这些干扰就显得更加致命。

　　接下来，他们开始把视线投向太空。如果望远镜位于大气层外，那么大气干扰带来的所有问题都将迎刃而解。

　　1990年4月24日发射升空的哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope，HST），是人类历史上第一座太空望远镜。

　　它以天文学家爱德温·哈勃（Edwin Powell Hubble）的名字命名，在地球轨道上围绕地球运行。由于它的位置在地球大气层之上，因此，影像不会受到大气湍流的扰动，视相度绝佳又没有大气散射造成的背景光，还能观测会被臭氧层吸收的紫外线。

　　哈勃空间望远镜成功弥补了地面观测的不足，帮助天文学家解决了许多天文学上的基本问题，使得人类对天文物理有了更多的认识。

　　哈勃望远镜是美国国家航空航天局（NASA）大型轨道天文台计划（Great Observatories Program）的一部分。该计划共包括四个太空望远镜，除了哈勃望远镜，还有康普顿伽马射线望远镜（Compton Gamma-Ray Observatory）、钱德拉X射线望远镜（Chandra X-ray Observatory）和斯皮策太空望远镜（Spitzer Space Telescope）。

　　哈勃望远镜长13.3米，直径4.3米，重11.6吨，拥有2.4米的光学口径，造价近30亿美元。

　　NASA表示，哈勃望远镜在对暗能量的研究工作中扮演了至关重要的角色。哈勃望远镜关于超新星的资料帮助研究者揭示出，这种神秘力量在宇宙中是持续存在的。

　　2011年，美国的航天飞机退役后，对哈勃望远镜的维护工作也告一段落。负责哈勃太空望远镜的团队计划保持运行直到2020年，届时它将被计划2018年发射的继任者詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，JWST）所取代。

　　JWST拥有高灵敏度红外观测能力，其造价超过88亿美元，这是美国政府有史以来支持过的耗资最大的科学项目。很多人会将韦伯望远镜同哈勃望远镜相提并论。但从原理上讲，韦伯望远镜实际上是斯皮策望远镜的继任者，因为两台望远镜都是观测红外波段。

　　NASA随后计划制造的口径1.3米的宽视场红外巡天望远镜（Wide Field Infrared Survey Telescope，WFIRST），是NASA新一代太空望远镜旗舰项目，它利用近红外波段成像，发射时间定于不早于2024年。

　　NASA科学任务理事会副行政长官兼宇航员约翰·格伦斯菲尔德（John Grunsfeld）说：“WFIRST有着让我们一睹宇宙之美的潜力，在很大程度上与哈勃望远镜类似。这项任务独特地结合了发现太阳系之外的行星并为之定性的能力，还有以宽视场观测宇宙深处并揭秘暗能量和暗物质之谜所需的灵敏度。”

　　和高度570公里的哈勃望远镜不同，JWST和WFIRST都将发射到150万公里的第二拉格朗日点上，这也大大增加了发射成本。不过，这两者的观测范围都不包括紫外波段和多数可见光波段。因此，美国天文学家又提出高清空间望远镜（HDST）计划，他们认为这款望远镜能像哈勃望远镜那样全面承担对可见光、紫外和近红外波段的观测任务。

　　根据美国大学天文研究协会（AURA）发布的报告，HDST计划安装10米到12米口径的主镜，这是哈勃望远镜主镜的近5倍，也是将于2018年发射升空的韦伯望远镜主镜的近2倍。它将直接探测多颗系外行星的大气层以寻找生命迹象，并且刷新我们对宇宙如何演变的理解。

　　此外，欧洲也提出了欧几里德空间望远镜计划(Euclid），这座望远镜口径1.2米，主要观测近红外波段, 也有光学波段。

中国力量

　　面对国外空间天文学的蓬勃发展和国内缺乏良好观测台址的现状，中国天文学家也希望开展空间天文研究。但是，这一梦想尚未变成现实。

　　2016年3月3日全国政协十二届四次会议开幕前，中科院院士、卫星专家叶培建委员告诉科技日报记者，今年，微重力卫星、量子通信卫星和硬X射线探测卫星会相继上天。

　　如果硬X射线探测卫星能够如期发射成功，将是中国第一颗天文卫星。实际上，这颗卫星确切的名字应该叫硬X射线望远镜（Hard X-ray Modulation Telescope，HXMT）。它是一颗工作于硬X射线能区的空间高能天文卫星，用于完成深度巡天，可发现大量巨型黑洞、大批硬X射线天体和一系列天体高能辐射新现象，绘出高精度的硬X射线天图。

　　该卫星具有比欧洲2002年发射的国际伽马射线天体物理实验台（Integral）、美国2004年发射的雨燕（Swift）更强大的成像能力和独一无二的定向观测能力，能以最高灵敏度和分辨率发现大批被尘埃遮挡的超大质量黑洞和其他未知类型高能天体，并研究宇宙硬X射线背景的性质。

　　雨燕望远镜，曾被评为世界最具科学影响力的十大天文望远镜中的第二名，排名仅次于斯隆天文台（哈勃空间望远镜排在第三位）。

　　这一技术路线由中科院院士李惕碚等人在1992年提出，但一直未能进入国家规划。直到2013年1月，中科院院长白春礼透露，在先导科技专项空间科学方面，中科院已经启动了量子科学实验卫星、硬X射线探测卫星、暗物质探测卫星、返回式科学试验卫星和夸父计划卫星的工程研制。其中，硬X射线探测卫星、量子科学实验卫星已进入初样研制阶段。

　　和专注于硬X射线能区，关注脉冲星、伽玛射线暴、超新星等更为猛烈的天体现象不同，哈勃望远镜的特点是关注可见光领域，观察宇宙的大尺度结构。但哈勃望远镜的维护，是科学家面对的一个难题。

　　美国当年主要靠发射航天飞机对哈勃太空望远镜等航天器进行维修。在航天飞机全部停飞的情况下，对在轨航天器维修已成为一大难题。

　　而中国提出的计划，是把空间站作为太空望远镜的永久性支援基地。3月7日，张育林在接受新华社记者采访时透露，中国在建造“天宫三号”空间站的同时，将发射一个单独的光学舱，在功能上与哈勃太空望远镜类似，但视场是哈勃望远镜的300倍。

　　张育林介绍，光学舱将与空间站保持一定距离进行共轨飞行，需要补加推进剂或维护升级时，与空间站交会对接，可由航天员操作。

　　光学舱在轨十年间，将以不低于哈勃望远镜的精度，拍摄到40%左右的宇宙空间。张育林认为，利用这些数据，中国科学家有望在宇宙起源、发展、进化等世界前沿科学领域取得突破。

　　张育林说，中国空间站这个独特的功能设计，将使在轨航天器维修升级成为可能。这意味着该望远镜将不会面临哈勃太空望远镜遇到的那种问题。

　　财新记者了解到，利用空间站作为太空望远镜的想法，是国家天文台研究员詹虎提出的。2011年，他曾经在《中国科学》上发表了一篇名为“中国空间站大规模多色测光与无缝光谱巡天的设想及其在暗能量研究领域的应用”的论文。

　　在论文中，詹虎提出，大型巡天是今后数十年国际天文学研究的一个重要方向，高精度大样本的巡天观测将极大推动暗物质、暗能量、天体起源与演化等天文学和物理学的根本问题的研究。中国载人空间站的建设为国内开展空间大规模多色成像与无缝光谱巡天提供了难得的机会。

　　他认为，巡天观测与空间站运行模式相当匹配，而国际上尚未有大型的高分辨率光学与近紫外深度巡天计划，空间站巡天正可以在此方向上实现突破。

　　财新记者联系了詹虎，不过他表示目前这一项目还比较敏感，尚不能透露进一步的信息。国家天文台网站对詹虎的个人介绍，已透露他正在预研下一代大型巡天项目的技术方案，正在召集空间站大规模巡天的科学与技术论证工作。

　　2015年第6期《中国科学院院刊》上，曾经发表中科院空间应用工程与技术中心高铭、赵光恒、顾逸东等三位专家撰写的论文“我国空间站的空间科学与应用任务”。文中提到，中国空间站上的一个主要科学设备，就是多功能主动光学设施。

　　这台设备主镜直径2米，以接近哈勃太空望远镜的分辨率和大百倍的视场开展多色测光和光谱巡天，研究宇宙加速膨胀的机理和暗能量本质，检验宇宙学模型，研究暗物质属性、银河系三维结构以及恒星、黑洞、星系、类星体等多种天体的形成与演化的规律。

　　他们期望在巡天观测深度和分辨率方面，这台设备可以超越国际上现有和今后一段的同期计划，争取获得革命性的新发现。

　　为什么视场需要如此之大？南京紫金山天文台的王蕾博士解释说，视场大的目的，是为了实现巡天，一次可以拍摄更多的星系，如果视场小，只能一块一块地拍，再拼接起来，效率就很低。大视场可以做宇宙大尺度结构的研究，得到更多星系的图像，而哈勃的视场小，就做不了。

　　在王蕾看来，未来中国空间站的天文望远镜，和欧洲的欧几里德、美国的WFIRST相比，各有长处。例如，中国望远镜在定位精度以及对抖动的控制方面有所欠缺，需要设计一些软件来消除抖动的影响，而哈勃在宽场叠加技术方面，不如中国望远镜。“主要是填补这个空白。即便是某些方面不如哈勃，也要放上去。”

　　目前，这套新型望远镜的发射日期尚未公布，何时发射必须以“天宫三号”空间站发射时间为考虑因素。预计“天宫三号”要到本世纪20年代才会发射升空，所以预计该太空望远镜的发射时间将在此之后。

　　据知情人士透露，这座空间望远镜的方案讨论经过了三个阶段。一开始是考虑，在空间站上开一个口，把望远镜伸出去，但这个计划被否定，因为太空舱的震动会影响望远镜的瞄准。第二阶段，就是把望远镜用支架放到外面，但同样会受到空间站摆动的影响。

　　最后确定下来的方案，是把望远镜与空间站完全脱离，仅用绳索相连，与空间站在同一轨道上绕地球运行。目前，这一项目由国家天文台的陈建生院士、台长赵钢负责协调各方面资源。

大规模巡天

　　2008年1月，《科学》杂志发表了一篇名为“破解宇宙之网”的报道，这篇文章把整个宇宙看作一张复杂的网，所有的恒星和星系都附着在它之上。宇宙之网是构筑宇宙的框架，由占宇宙物质85%的暗物质构成。

　　在宇宙逐渐演化的过程中，出现了巨大的由暗物质聚集形成的纤维状结构，但这些暗物质除了引力作用，不存在其他任何相互作用。我们所能够看到的光芒，实际上来自在这张网上落户的星系与恒星。更为神奇的暗能量则驱动着宇宙加速膨胀，影响着宇宙之网的演化。

　　暗物质和暗能量的性质是什么？宇宙之网是如何精确组织的？

　　宇宙之网张开的范围从单个星系一直延伸到了可观测宇宙的边界。它的演化描绘着我们今天看到的、一直可以追溯到大爆炸的复杂性。

　　“对我来说，下个15年天文学和天体物理学中真正激动人心的事情就是认识我们看到的这张宇宙之网。”2007年12月，聚会商讨宇宙之网探测未来的106位科学家之一、加拿大多伦多大学的天文学家霍华德·叶（Howard Yee）说。“但我们目前还无法告诉你，在某个时刻这张网中的某个星系究竟有多大。”

　　上海交通大学物理与天文系教授张鹏杰对财新记者说，在过去20年间，宇宙学取得了巨大进展，发现了宇宙加速膨胀，建立了标准宇宙学模型。这些成就得到了天文和物理学界的广泛认同，获得了2006年和2011年诺贝尔物理奖。但是，宇宙加速膨胀机制、宇宙产生机制等重大问题并没有得到完全解决。

　　国际上现有的大型巡天计划中，空基巡天类的项目主要观测近红外波段，如WFIRST与欧几里德。地基巡天类的项目主要观测可见光波段，如美国天文发展十年规划中首推的大口径全景时序巡天望远镜（Large Synoptic Survey Telescope，口径8.4米，简称LSST）。

　　詹虎指出，由于大气影响，LSST巡天的角分辨率远不及空间可实现的角分辨率，其光学红端的观测效果不佳，不能观测近紫外波段，也不能拍摄光谱。他认为，光学、近紫外高角分辨率的成像巡天和光谱巡天将是一个极具特色的方向，也是在中国空间站上建造大型望远镜设施并开展天文研究的优势方向。

　　中国空间站的天文望远镜主要观测可见光波段，但是，詹虎认为在红外天文方向，中国亦可进行探索，提升探测器技术水平。此外，空间站还具有可补给与维护的优势，通过终端设备的升级和更新，可以针对新的科学机遇，及时开展观测研究。可以这样说，中国空间站大规模巡天，天区面积最大、像质最好、波长覆盖范围广、波段数多，其巡天速度显著超过了国外的空基项目。

　　虽然，中国空间站大规模巡天的巡天速度比地基项目LSST慢，但仍可在更少的时间内完成更大面积的巡天，并且预期在多个研究方向上实现超越。

　　在科学目标上，中国空间站大规模巡天项目将主要以观测“弱引力透镜效应”和“重子声波振荡”这两种手段来测量暗能量的状态方程。

　　张鹏杰指出，今后十年内的宇宙学巡天将精确测量百亿光年空间跨度上宇宙结构的分布，精确刻画百亿年间宇宙的演化。通过大尺度结构的统计分析，我们将以前所未有的精度和深度理解基础宇宙学物理（暗物质、暗能量等）和星系形成机制等天体物理核心问题。

　　国家天文台研究员高亮告诉财新记者，目前中国的空间站天文望远镜计划已经立项，参数已经确定，正在研制阶段。在他看来，在研究宇宙大尺度结构上，国际上的几个大型空间天文台的能力差不多。比如，在研究弱引力透镜效应上，中国望远镜和欧几里德差不多，但后者得到整个欧洲资助，耗资十几亿欧元，中国望远镜的成本大概只有其十分之一。“当然他们内容会更多，我们的口径也要大一些，但红外观测的能力有所欠缺。”他说，现在距离空间站发射只有几年时间，这么短时间做成空间望远镜，任务很艰巨。“尤其是望远镜好做，摄像机很困难。”■