筑夢(mèng)“太空之家”——中國空間站建設(shè)記

“飛天巨眼”，中國造！

(資料圖片僅供參考)

對(duì)2023年可能發(fā)生的世界科技熱點(diǎn)事件，多家國際主流媒體進(jìn)行了展望，均把中國空間站工程巡天望遠(yuǎn)鏡(即“中國巡天空間望遠(yuǎn)鏡”，英語簡(jiǎn)稱“CSST”)列入其中，認(rèn)為它的飛天將與美國發(fā)射新型火箭、啟動(dòng)小行星采礦任務(wù)等成為人類探索或利用太空新的年度里程碑。

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(shí)啟動(dòng)CSST發(fā)射、部署工作，開展更加廣泛的天文調(diào)查。中國載人航天工程辦公室曾向外界表示，我國首個(gè)大型巡天空間望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃于2023年發(fā)射，開展廣域巡天觀測(cè)，將在宇宙結(jié)構(gòu)形成和演化、暗物質(zhì)和暗能量、系外行星與太陽系天體等方面開展前沿科學(xué)研究。

空間光學(xué)觀測(cè)領(lǐng)域?qū)⑸鸬男滦?/p>

說到天文望遠(yuǎn)鏡，很多人第一時(shí)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(yuǎn)鏡(FAST)。作為我國近年來建成的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，F(xiàn)AST以其超大的體量規(guī)模、優(yōu)異的探索能力和豐碩的初期探測(cè)成果收獲了超高的人氣，享譽(yù)海內(nèi)外。與FAST相比，CSST目前的知名度雖然不那么高，但是對(duì)于業(yè)內(nèi)人士來說，它是一顆在光學(xué)望遠(yuǎn)鏡開展天文觀測(cè)領(lǐng)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(dāng)然還有諸多相異之處，其中最根本的區(qū)別在于它們分屬不同的天文望遠(yuǎn)鏡類型。

FAST是射電望遠(yuǎn)鏡，接收的是天體發(fā)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(hào)收集起來，然后傳送到接收系統(tǒng)中去放大，接收系統(tǒng)從噪音中分離出有用的信號(hào)，并傳給后端的計(jì)算機(jī)記錄下來。計(jì)算機(jī)記錄的結(jié)果顯示為許多曲線，供天文學(xué)家研究分析，從而獲得各種宇宙信息。因?yàn)闊o線電波可穿透宇宙空間，所以射電望遠(yuǎn)鏡不太會(huì)受光照和氣候的影響，可以全天候、不間斷地工作。

CSST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(zhǎng)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。這樣，人們通過光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，就可以觀察到很遠(yuǎn)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(chǎng)等綜合因素影響，地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)能力有限。隨著航天科技的進(jìn)步，消除上述因素影響的太空光學(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月升空的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和韋伯太空望遠(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”。

分為兩大部分，擁有5大裝備

CSST將是一個(gè)塊頭超大的太空飛行器，對(duì)其具體個(gè)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(tái)副臺(tái)長(zhǎng)劉繼峰曾這樣描述：“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(zhǎng)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(tái)研究員詹虎介紹說，CSST主要分成兩部分即“平臺(tái)段”與“光學(xué)設(shè)施段”，前者其實(shí)就是CSST的“資源艙”，負(fù)責(zé)為其太空飛行提供動(dòng)力，后者則是CSST主體載荷，包括5臺(tái)觀測(cè)設(shè)備，即巡天模塊、太赫茲模塊、多通道成像儀、積分視場(chǎng)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(cè)”，也就是對(duì)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，因此該望遠(yuǎn)鏡占據(jù)最主要觀測(cè)時(shí)間的是巡天模塊。據(jù)詹虎透露，“巡天觀測(cè)”約占CSST運(yùn)行時(shí)間的70%。

據(jù)中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員李然介紹，為了保障“巡天觀測(cè)”成像質(zhì)量和能夠接收廣闊視場(chǎng)的信息，CSST巡天模塊安置了30塊探測(cè)器，總像素達(dá)到25億。其中18塊探測(cè)器上設(shè)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(cè)器則用于無縫光譜觀測(cè)，每次曝光可以獲得至少1000個(gè)天體的光譜信息。在整個(gè)巡天周期里，巡天模塊將會(huì)覆蓋整個(gè)天空面積的40%，積累獲得近20億星系的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

詹虎和李然在介紹CSST超強(qiáng)“巡天觀測(cè)”能力的同時(shí)，強(qiáng)調(diào)其精細(xì)觀測(cè)能力也很強(qiáng)。該望遠(yuǎn)鏡配備的太赫茲模塊、多通道成像儀、積分視場(chǎng)光譜儀和系外行星成像星冕儀都是精測(cè)模塊，它們將依托各自特點(diǎn)開展系外行星探測(cè)、星系核心區(qū)域空間可分辨光譜觀測(cè)，近鄰星系中性碳研究，宇宙超級(jí)深場(chǎng)觀測(cè)等眾多特色科學(xué)觀測(cè)。

更適于巡天，便于維護(hù)升級(jí)

同為太空光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，CSST與哈勃望遠(yuǎn)鏡相比有什么特點(diǎn)呢？

對(duì)此，詹虎回答說，CSST更適于巡天，其巡天相機(jī)的鏡片口徑為2米，雖然略小于哈勃望遠(yuǎn)鏡的約2.4米，但是其視場(chǎng)約是哈勃望遠(yuǎn)鏡的300倍，可以比較快地完成大范圍宇宙觀測(cè)。李然打了個(gè)形象的比方：好比山上有一群羊，哈勃望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡看到的一樣。

CSST的巡天特長(zhǎng)可以說是“與生俱來”的。作為我國載人空間站旗艦級(jí)項(xiàng)目，CSST是我國迄今為止最大的空間天文基礎(chǔ)設(shè)施，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)之初就瞄準(zhǔn)了大視場(chǎng)、高像質(zhì)、寬波段等方向。對(duì)此，李然解釋說，哈勃望遠(yuǎn)鏡是人類空間望遠(yuǎn)鏡先行者，已經(jīng)取得了豐碩的科研成果，CSST只有采取與之不同的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，才能更進(jìn)一步促進(jìn)空間天文學(xué)的發(fā)展，進(jìn)一步拓展人類認(rèn)識(shí)的邊界。創(chuàng)新設(shè)計(jì)可供選擇思路有兩種：一種是建造更大口徑的太空望遠(yuǎn)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(qū)的太空望遠(yuǎn)鏡，以更高的效率巡天觀測(cè)，更系統(tǒng)地研究宇宙空間。中國有關(guān)方面根據(jù)相關(guān)實(shí)際情況，為CSST選擇了第二種思路。

CSST的另一個(gè)顯著特點(diǎn)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(yuǎn)鏡”可以看出來兩者之間的密切聯(lián)系。具體來說，CSST以天宮空間站為太空母港，平時(shí)觀測(cè)時(shí)遠(yuǎn)離空間站并與其共軌獨(dú)立飛行，在需要補(bǔ)給或者維修升級(jí)時(shí)，主動(dòng)與“天宮”交會(huì)對(duì)接，?？刻漳父?，不僅能夠保障其在10年壽命期內(nèi)可以正常運(yùn)行，有效避免出現(xiàn)類似哈勃望遠(yuǎn)鏡遭遇故障約3年無法修復(fù)的情況，而且能夠延長(zhǎng)在軌壽命，實(shí)現(xiàn)超期“服役”。

歷時(shí)10余載不斷調(diào)整完善

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(zhǎng)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(huì)，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(xiàng)目的序幕。 2013年11月，CSST正式立項(xiàng)。

詹虎特別指出，根據(jù)立項(xiàng)時(shí)的方案，CSST是與空間站實(shí)驗(yàn)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(duì)其形成的擾動(dòng)都會(huì)使凝視觀測(cè)的像質(zhì)嚴(yán)重退化。再比如，空間站周圍可能存在的污染環(huán)境和顆粒物、空間站大致對(duì)地定向的姿態(tài)其結(jié)構(gòu)對(duì)觀測(cè)方向的限制以及艙體和太陽帆板等各處表面產(chǎn)生的雜散光等因素，都不利于天文觀測(cè)。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配備的巡天模塊、太赫茲模塊等5臺(tái)儀器被確定下來。2022年4月，CSST初樣研制進(jìn)入關(guān)鍵期。當(dāng)年底，初樣鑒定件研制完成。據(jù)巡天光學(xué)設(shè)施總體主任設(shè)計(jì)師、中科院長(zhǎng)春光機(jī)所研究員徐抒巖透露，在完成望遠(yuǎn)鏡各個(gè)子系統(tǒng)、組件、單元集成測(cè)試試驗(yàn)工作后，即轉(zhuǎn)入正樣研制和飛行件的研制工作，隨后與巡天平臺(tái)集成開展聯(lián)合試驗(yàn)，進(jìn)行發(fā)射場(chǎng)測(cè)試，最后擇機(jī)發(fā)射。

在CSST研制等工作緊鑼密鼓推進(jìn)的同時(shí)，觀測(cè)數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)備工作已經(jīng)著手推進(jìn)。據(jù)李然介紹，CSST在全周期將會(huì)產(chǎn)生50PB的科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，有關(guān)部門已建立了一個(gè)由天文學(xué)家、數(shù)據(jù)專家和計(jì)算機(jī)專家組成的團(tuán)隊(duì)，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天文學(xué)家使用的天文圖像和星表，開展進(jìn)一步研究。

有望為世界天文學(xué)發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)

CSST還未升空，但是其致力于打造的面向國際開放的、先進(jìn)的空間天文臺(tái)，將為人類認(rèn)識(shí)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。

在CSST科學(xué)工作聯(lián)合中心網(wǎng)站上，人們可以看到CSST瞄準(zhǔn)的7大科學(xué)目標(biāo)，其中涉及宇宙學(xué)、星系和活動(dòng)星系核、銀河系及近鄰星系、恒星科學(xué)、系外行星與太陽系天體等，每一項(xiàng)都指向當(dāng)代科學(xué)最前沿。比如，利用CSST大天區(qū)巡天和超深場(chǎng)觀測(cè)提供的豐富觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)宇宙加速膨脹和暗能量、暗物質(zhì)等進(jìn)行研究，對(duì)星系的形態(tài)結(jié)構(gòu)及其演化、活動(dòng)星系與超大質(zhì)量黑洞等進(jìn)行研究。

李然表示，CSST有望幫助人類探索并解答關(guān)于宇宙的物質(zhì)構(gòu)成、結(jié)構(gòu)、演化等基本問題。詹虎指出，天文探測(cè)能力的提升推動(dòng)人類對(duì)宇宙認(rèn)知，每次觀測(cè)深度、廣度、波段、測(cè)光精度等方面的突破，都會(huì)帶來重大發(fā)現(xiàn)，甚至引發(fā)天文學(xué)和物理學(xué)革命性發(fā)展。CSST綜合性能優(yōu)異，在一些指標(biāo)上大幅超越以往項(xiàng)目，在同期巡天項(xiàng)目中像質(zhì)最好，近紫外波段的觀測(cè)能力獨(dú)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(jī)理的研究等方面取得突破，而且將打開更廣闊的發(fā)現(xiàn)空間，為世界天文學(xué)的發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)。(人民日?qǐng)?bào)海外版 張保淑)

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