中國首個(gè)太空望遠(yuǎn)鏡
——巡天號(hào)光學(xué)艙

近日，中國載人航天工程總設(shè)計(jì)師周建平表示，我國計(jì)劃在2023 年或2024 年發(fā)射中國首個(gè)太空望遠(yuǎn)鏡，這將對(duì)我國探尋更廣闊的宇宙、了解太空提供一個(gè)非常強(qiáng)有力的觀測手段。那么，我國將要發(fā)射的太空望遠(yuǎn)鏡有哪些特點(diǎn)呢？相比國外的一些太空望遠(yuǎn)鏡，又有何不同之處？

填補(bǔ)國內(nèi)觀測空白

隨著自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，地面望遠(yuǎn)鏡可以校正大氣湍流的影響，通過實(shí)時(shí)補(bǔ)償能獲得很好的成像質(zhì)量。盡管如此，自適應(yīng)光學(xué)仍然無法完美地校正大氣湍流帶來的影響，且大氣層會(huì)吸收紅外等波段的輻射，其觀測效果不是很理想。而太空望遠(yuǎn)鏡能較好地解決這些問題帶來的影響，具有地面望遠(yuǎn)鏡無法比擬的優(yōu)勢。

中國的天文大型觀測設(shè)施起步較晚，4 米口徑的“郭守敬”已經(jīng)是目前國內(nèi)最大的望遠(yuǎn)鏡，論證中的12 米望遠(yuǎn)鏡還有待建設(shè)，但中國航天技術(shù)的快速發(fā)展，為我國在空間天文上“彎道超車”提供了可能。

2010 年9 月25 日，我國空間站項(xiàng)目正式得到國務(wù)院批準(zhǔn)。整個(gè)空間站由核心艙和兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙組成，其中，實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ裝有一臺(tái)2 米口徑的巡天號(hào)光學(xué)艙。

這樣的設(shè)計(jì)方案使得太空站望遠(yuǎn)鏡指向受制于空間站結(jié)構(gòu)影響，無法像獨(dú)立的太空望遠(yuǎn)鏡那樣自由地指向任意方向觀測，也不能長時(shí)間對(duì)一個(gè)方向連續(xù)曝光。

空間站望遠(yuǎn)鏡置于艙內(nèi)的設(shè)計(jì)，嚴(yán)重限制了它的觀測時(shí)間，對(duì)比歐美國家的歐幾里得太空望遠(yuǎn)鏡和羅曼太空望遠(yuǎn)鏡，中國巡天望遠(yuǎn)鏡的可觀測時(shí)間約為它們的一半。為此，科研人員又提出將望遠(yuǎn)鏡放到艙外進(jìn)行觀測的方案，但只要望遠(yuǎn)鏡與空間站直接相連，空間站的姿態(tài)變化、結(jié)構(gòu)形變以及航天員活動(dòng)和飛船對(duì)接帶來的振動(dòng)，都會(huì)導(dǎo)致成像質(zhì)量嚴(yán)重退化。

2015 年，有關(guān)方面提出新方案，即建造獨(dú)立的太空望遠(yuǎn)鏡，這就是目前計(jì)劃中的巡天號(hào)光學(xué)艙。它將和中國空間站共軌運(yùn)行，一方面避免了空間站對(duì)望遠(yuǎn)鏡視野、觀測時(shí)間和成像質(zhì)量的影響；另一方面便于對(duì)接空間站進(jìn)行在軌維護(hù)。同時(shí)，巡天艙在軌對(duì)接維護(hù)方案，要比使用航天飛機(jī)維護(hù)的哈勃望遠(yuǎn)鏡更為方便，維護(hù)費(fèi)用也低很多。

設(shè)計(jì)理念世界首創(chuàng)

雖然巡天號(hào)光學(xué)艙改為長期自主飛行設(shè)計(jì)，但仍以高角分辨率巡天和光譜巡天為主，它的性能在世界太空望遠(yuǎn)鏡中也是屈指可數(shù)的。

該光學(xué)艙裝有一臺(tái)2 米口徑的大型望遠(yuǎn)鏡，雖然比美國哈勃望遠(yuǎn)鏡2.4 米的口徑小，但比歐幾里得望遠(yuǎn)鏡1.2 的米口徑大。

巡天號(hào)光學(xué)艙的觀測波長范圍為255 ～1000 納米，覆蓋了從近紫外、可見光到近紅外波段，而同樣“巡天”的歐幾里得望遠(yuǎn)鏡只覆蓋可見光和近紅外波段。同時(shí)，巡天號(hào)光學(xué)艙設(shè)計(jì)用于巡天，它的有效視場大約為1.1平方度，比歐幾里得望遠(yuǎn)鏡和羅曼望遠(yuǎn)鏡都大，更是哈勃望遠(yuǎn)鏡有效視場面積的約300 倍。

從角分辨率或成像質(zhì)量上講，巡天號(hào)光學(xué)艙的望遠(yuǎn)鏡最高達(dá)0.15 角秒，遠(yuǎn)優(yōu)于羅曼望遠(yuǎn)鏡和歐幾里得望遠(yuǎn)鏡，和哈勃望遠(yuǎn)鏡的0.1 角秒相去不遠(yuǎn)。

值得一提的是，巡天號(hào)光學(xué)艙在設(shè)計(jì)上追求高指向精度和平臺(tái)穩(wěn)定度，它在超靜、超精和超穩(wěn)的平臺(tái)設(shè)計(jì)指標(biāo)上超越了哈勃望遠(yuǎn)鏡的后繼者——韋伯太空望遠(yuǎn)鏡。

巡天號(hào)光學(xué)艙不僅將填補(bǔ)我國空間天文觀測的空白，而且將實(shí)現(xiàn)接近哈勃望遠(yuǎn)鏡的分辨率和超過哈勃望遠(yuǎn)鏡兩個(gè)數(shù)量級(jí)的視場，能快速完成大規(guī)模的多色成像和無縫光譜巡天。

巡天號(hào)光學(xué)艙的優(yōu)越性，離不開創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。該光學(xué)艙除了裝有2 米口徑的Cook 型離軸三反射光學(xué)系統(tǒng)，還增加了一個(gè)折轉(zhuǎn)鏡便于實(shí)現(xiàn)不同光學(xué)載荷之間的切換、調(diào)焦和精密穩(wěn)像等功能。

離軸三反射是一種十分優(yōu)秀的光學(xué)設(shè)計(jì)，它不僅有利于實(shí)現(xiàn)超大的視場，而且沒有哈勃望遠(yuǎn)鏡和韋伯望遠(yuǎn)鏡的同軸反射光學(xué)系統(tǒng)中不可避免的光路遮擋，具有通光效率高的優(yōu)點(diǎn)，也沒有鏡面支撐帶來的衍射問題，光學(xué)成像質(zhì)量更高。巡天號(hào)光學(xué)艙還將是我國首個(gè)使用主動(dòng)光學(xué)的太空望遠(yuǎn)鏡，通過主動(dòng)調(diào)整次鏡的形變，可以進(jìn)一步提高望遠(yuǎn)鏡成像質(zhì)量。

另外，巡天號(hào)光學(xué)艙不僅能自主飛行，具有很高的姿態(tài)調(diào)整精度，還具備主動(dòng)交會(huì)和停靠空間站的能力。它在?？靠臻g站期間可以接受推進(jìn)劑補(bǔ)加，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)、維修和更新升級(jí)。相比哈勃望遠(yuǎn)鏡每次維護(hù)都要發(fā)射航天飛機(jī)，巡天號(hào)光學(xué)艙的共軌飛行和空間站在軌維護(hù)設(shè)計(jì)，具有更好的維護(hù)效率和費(fèi)效比。

此外，該光學(xué)艙還兼具巡天和查地能力，能作為遙感衛(wèi)星使用，這樣的設(shè)計(jì)理念屬于世界首創(chuàng)。

期待帶來重大發(fā)現(xiàn)

按照規(guī)劃，巡天號(hào)光學(xué)艙與空間站共軌飛行，主要用于實(shí)施天文觀測，兼顧對(duì)地觀測能力。它能夠提供與哈勃望遠(yuǎn)鏡分辨率大致相當(dāng)，但視場大300 多倍的巡天觀察能力，光學(xué)系統(tǒng)的性能在世界新一代太空望遠(yuǎn)鏡中也是屈指可數(shù)的。

此外，該光學(xué)艙的傳感器也可圈可點(diǎn)，它搭載了巡天相機(jī)、積分視場光譜儀、多通道成像儀、系外行星成像星冕儀、太赫茲接收儀等5 個(gè)有效載荷，除了具備基本的快速巡天能力外，系外行星成像星冕儀還為它增加了探測和研究系外行星的能力。

巡天號(hào)光學(xué)艙最主要的任務(wù)是巡天觀測，科研人員計(jì)劃進(jìn)行17500 平方度的多色成像觀測，以及與之同天區(qū)的無縫光譜觀測，還將進(jìn)行400 平方度的多色成像深場觀測和與之同天區(qū)的無縫光譜深場觀測。

簡單地說，巡天號(hào)光學(xué)艙將在上天后的10 年時(shí)間里進(jìn)行大面積多色成像巡天和大面積無縫光譜巡天等普查觀測，再通過極深度多色成像巡天對(duì)遴選天區(qū)進(jìn)行精細(xì)的詳查研究。因此，作為我國未來10 年的旗艦級(jí)空間觀測設(shè)備，它將通過10 年巡天獲得的數(shù)據(jù)來觀測宇宙學(xué)中的引力透鏡效應(yīng)和大尺度結(jié)構(gòu)，對(duì)宇宙中的暗物質(zhì)和暗能量進(jìn)行研究。

另外，它還將通過對(duì)星系和活動(dòng)星系核，以及近鄰宇宙與恒星的觀測，研究宇宙天體的形成和演化，也將用于觀測和研究造父變星，提高宇宙尺度的距離測量精度。它還能用于太陽系中大量暗弱小天體的觀測，以及觀測和研究暫現(xiàn)源。

總之，巡天號(hào)光學(xué)艙不僅將填補(bǔ)我國大型太空望遠(yuǎn)鏡的空白，而且性能指標(biāo)還將超越以往的巡天項(xiàng)目，成像質(zhì)量是同期巡天空間望遠(yuǎn)鏡中最好的，并具備獨(dú)一無二的近紫外觀測能力。巡天號(hào)光學(xué)艙在未來10 年的巡天觀測任務(wù)中，有望憑借優(yōu)秀的性能，觀測分析和揭示宇宙加速膨脹的機(jī)理，甚至帶來意料之外的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。