俄羅斯“光譜”系列天文臺(tái)發(fā)展歷程及未來規(guī)劃解析

范唯唯 楊帆 宋楠

（1中國(guó)科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院 2中國(guó)科學(xué)技術(shù)館）

1 前言

俄羅斯在理論和地基實(shí)測(cè)天體物理學(xué)方面的研究起步較早，隨著美蘇太空競(jìng)賽的展開，蘇聯(lián)從20世紀(jì)70年代開始部署空間天文臺(tái)，起初是通過在禮炮號(hào)空間站等軌道站上搭載望遠(yuǎn)鏡的方式開展天文觀測(cè)，隨后相繼發(fā)射了“天文”（Astron）紫外天文望遠(yuǎn)鏡（1983－1989年）、“石榴”（Granat）空間望遠(yuǎn)鏡（1989－1998年）[1]和“伽馬”（Gamma）空間望遠(yuǎn)鏡（1990－1992年）[2]。進(jìn)入新千年，俄羅斯發(fā)射了“羅蒙諾索夫”（Lomonosov）高校衛(wèi)星（2016－2019年），并策劃了“光譜”系列天文臺(tái)任務(wù)。

“光譜”系列是近十年俄羅斯空間科學(xué)領(lǐng)域最重要的天基任務(wù)，目前已經(jīng)發(fā)射的光譜－R（Spektr－R）和光譜－RG通過廣泛開展國(guó)際合作，取得了許多引人注目的科學(xué)成就。規(guī)劃中的光譜－UV和光譜－M能否在當(dāng)前國(guó)際合作受阻和國(guó)內(nèi)科研經(jīng)費(fèi)緊張的情況下再創(chuàng)佳績(jī)，推動(dòng)俄羅斯天體物理學(xué)研究實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展值得關(guān)注。

2 俄羅斯“光譜”系列任務(wù)的發(fā)展與規(guī)劃

“光譜”系列天文臺(tái)最早于20世紀(jì)80年代提出，是“天文”“石榴”“伽馬”空間望遠(yuǎn)鏡的接替計(jì)劃，旨在研發(fā)出性能優(yōu)于以“哈勃”（HST）為代表的美國(guó)望遠(yuǎn)鏡。但由于蘇聯(lián)解體導(dǎo)致資金嚴(yán)重不足，研發(fā)進(jìn)展近乎停滯[3]。直到1997年，“光譜”系列天文臺(tái)被重新提上日程，在俄羅斯航天國(guó)家集團(tuán)（ROSCOSMOS）的支持下，俄羅斯科學(xué)院委托拉沃契金科研生產(chǎn)聯(lián)合體開發(fā)研制，全系列共包括4個(gè)天基任務(wù)：①在射電波段內(nèi)開展觀測(cè)的光譜－R（2011－2019年）；②在軟硬X射線波段開展觀測(cè)的光譜－RG（2019年至今）；③正處于研發(fā)階段的在紫外波段開展觀測(cè)的光譜－UV；④在亞毫米和遠(yuǎn)紅外波段運(yùn)行的光譜－M。

整體而言，“光譜”系列天體物理天文臺(tái)探測(cè)波段各有側(cè)重，基本覆蓋從高能射線、紫外、光學(xué)、紅外、微波到射電等各個(gè)波段，可以滿足不同研究目標(biāo)的需求。還可以與地基望遠(yuǎn)鏡共同組成天地射電干涉陣，地基望遠(yuǎn)鏡可對(duì)天基望遠(yuǎn)鏡巡天發(fā)現(xiàn)的重要目標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)期深入的跟蹤觀測(cè)研究，使科學(xué)效益達(dá)到最大化。

光譜－R：世界最大的綜合孔徑式空間射電望遠(yuǎn)鏡

光譜－R是由俄羅斯領(lǐng)導(dǎo)、20多個(gè)國(guó)家參與的大規(guī)模國(guó)際合作項(xiàng)目，又名“射電天文”（RadioAstron），于2011年7月18日從拜科努爾發(fā)射場(chǎng)發(fā)射，運(yùn)行在高橢圓軌道（HEO）上[4]。在軌運(yùn)行了7.5年后，于2019年1月與地面失聯(lián)[5]，現(xiàn)已正式退役。

光譜－R與全球58臺(tái)地面射電望遠(yuǎn)鏡（包括美國(guó)阿雷西博望遠(yuǎn)鏡和綠岸射電望遠(yuǎn)鏡、德國(guó)埃菲爾斯伯格射電望遠(yuǎn)鏡、荷蘭韋斯特博克綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡、烏克蘭葉夫帕托里亞天文臺(tái)、日本臼田射電望遠(yuǎn)鏡、澳大利亞特賓比拉望遠(yuǎn)鏡、西班牙羅夫萊多望遠(yuǎn)鏡、中國(guó)天馬望遠(yuǎn)鏡、俄羅斯類星體－KVO射電天文觀測(cè)綜合系統(tǒng)等）共同組建成天地一體干涉系統(tǒng)，獲取不同天體目標(biāo)的超高分辨率圖像、角位移及相關(guān)通量、亮度和散射特性等信息。光譜－R的主要科學(xué)目標(biāo)包括：①射電波段的星系和類星體；②大質(zhì)量黑洞附近區(qū)域的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)；③銀河系中的黑洞和中子星；④測(cè)量脈沖星和其他星系源的距離和速度；⑤星際等離子體的結(jié)構(gòu)；⑥致密河外天體的演化；⑦確定基本宇宙學(xué)參數(shù)。

光譜－R由俄羅斯航天國(guó)家集團(tuán)、俄羅斯科學(xué)院列別捷夫物理研究所和空間研究所牽頭組織，拉沃契金科研生產(chǎn)聯(lián)合體開發(fā)制造。從結(jié)構(gòu)上看，光譜－R由導(dǎo)航平臺(tái)和射電望遠(yuǎn)鏡組成，總質(zhì)量3850kg。其中主鏡直徑3m，有27個(gè)天線波瓣，展開后拋物天線面直徑10m，是世界最大的綜合孔徑式空間射電望遠(yuǎn)鏡，創(chuàng)下吉尼斯紀(jì)錄。

光譜－R針對(duì)250個(gè)星系核、類星體和脈沖星等宇宙天體開展了觀測(cè)和研究，取得了廣受國(guó)際認(rèn)可的科學(xué)成果。例如：證實(shí)類星體核比以往地面干涉儀的理論預(yù)測(cè)和測(cè)量結(jié)果亮得多，許多類星體的溫度超過1013K，比以前的估值高10倍以上；突破性地了解到星系中心等離子體噴射的形成機(jī)制，發(fā)現(xiàn)射流底部非常寬且呈圓柱形，支持了噴射是由寬吸積盤扭曲形成的理論；發(fā)現(xiàn)了一種新型散射效應(yīng)，極大地改善了星際介質(zhì)理論和對(duì)其不均勻性結(jié)構(gòu)的理解；以8×10-6角秒的角分辨率拍攝到NGC 4258星系盤中的水巨脈澤，達(dá)到儀器的理論極限，這也是迄今為止天文學(xué)角分辨率的最高紀(jì)錄。

光譜－R天線展開測(cè)試

光譜－RG：考驗(yàn)國(guó)際合作的X射線天文臺(tái)

光譜－RG是俄德合作項(xiàng)目，也是俄羅斯首個(gè)在日地拉格朗日L2點(diǎn)運(yùn)行的天文臺(tái)，于2019年7月13日從拜科努爾發(fā)射場(chǎng)發(fā)射，搭載了德國(guó)萊布尼茨天體物理學(xué)研究所開發(fā)的“攜帶成像望遠(yuǎn)鏡陣列的擴(kuò)展倫琴調(diào)查儀”（eROSITA）和俄羅斯科學(xué)院空間研究所開發(fā)的“天文倫琴望遠(yuǎn)鏡-X射線805A光器”（ARTXC）2臺(tái)X射線望遠(yuǎn)鏡[6-7]。但受俄烏沖突影響，eROSITA已于2022年2月26日進(jìn)入休眠模式[8]。

光譜－RG計(jì)劃運(yùn)行6年半，前4年時(shí)間將對(duì)整個(gè)天空進(jìn)行掃描，在可觀測(cè)范圍內(nèi)對(duì)銀河系最龐大的星系群和活動(dòng)星系核進(jìn)行搜尋并編目[9]。任務(wù)后期將開啟目標(biāo)天體精準(zhǔn)觀測(cè)模式，對(duì)最感興趣的對(duì)象進(jìn)行選擇性觀察。巡天期間，光譜－RG將對(duì)約10萬個(gè)大質(zhì)量星系團(tuán)、300萬個(gè)超大質(zhì)量黑洞、數(shù)十萬個(gè)擁有活躍日冕的恒星和吸積白矮星、數(shù)萬個(gè)恒星形成星系和屬性不明的其他天體進(jìn)行探測(cè)，并詳細(xì)研究行星際和星系際熱等離子體的性質(zhì)。這些數(shù)據(jù)對(duì)于了解宇宙中物質(zhì)分布，暗能量在宇宙演化過程中的作用，以及超大質(zhì)量黑洞的誕生和發(fā)展十分重要。光譜－RG的主要科學(xué)目標(biāo)包括：①研究超大質(zhì)量黑洞的輻射變化；②長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)弱X射線源；③研究伽馬射線暴及其X射線余輝；④觀測(cè)超新星爆發(fā)及其演化過程；⑤研究銀河系黑洞和中子星；⑥測(cè)量脈沖星和其他星系源的距離和速度；⑦在X射線和紫外波段研究近鄰星系的彌漫介質(zhì)；⑧對(duì)延展天體的硬X射線輻射進(jìn)行定位；⑨研究活動(dòng)星系核的光譜形狀。

eROSITA望遠(yuǎn)鏡由德國(guó)萊布尼茨天體物理研究所和高校共同開發(fā)，由馬克斯·普朗克地外物理學(xué)研究所負(fù)責(zé)制造[10]，旨在0.3～10keV范圍內(nèi)巡天，探測(cè)300萬個(gè)超大質(zhì)量黑洞，研究宇宙結(jié)構(gòu)演化，研究銀河系X射線源的物理特性，例如白矮星、雙星系統(tǒng)中的中子星和黑洞、超新星遺跡以及原恒星。

ART－XC望遠(yuǎn)鏡由俄羅斯科學(xué)院空間研究所和拉沃契金科研生產(chǎn)聯(lián)合體負(fù)責(zé)制造，旨在5～11keV范圍內(nèi)繪制深度全天星圖，在5～30keV范圍內(nèi)繪制黃道區(qū)域星圖，標(biāo)記并定位全天硬X射線源，測(cè)量白矮星質(zhì)量和特征，記錄X射線暫現(xiàn)源。隨著德國(guó)關(guān)閉eROSITA望遠(yuǎn)鏡，俄羅斯ARTXC也隨之調(diào)整了任務(wù)目標(biāo)，未來將繼續(xù)重點(diǎn)開展以下4個(gè)方向的觀測(cè)：①深入研究銀河系盤面，在更軟的X射線波段觀測(cè)到不易被發(fā)現(xiàn)的天體；②對(duì)第四次巡天任務(wù)中發(fā)現(xiàn)的X射線源開展更詳細(xì)的研究；③暫現(xiàn)源研究；④開展毫秒脈沖星觀測(cè)[11]。

2020年6月，eROSITA望遠(yuǎn)鏡完成首次巡天后繪制出迄今為止質(zhì)量最高的X射線宇宙星圖，包含超過100萬個(gè)軟X射線源，是X射線天文學(xué)60年發(fā)展歷程中發(fā)現(xiàn)的X射線源數(shù)量的2倍，其中大部分射線源是宇宙學(xué)距離尺度上的活躍星系核，標(biāo)志著宇宙時(shí)間尺度上巨型黑洞的增長(zhǎng)[12]，光譜－RG也因此榮獲2021年馬塞爾·格羅斯曼獎(jiǎng)。光譜－RG取得的其他重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)還包括：2020年6月，ART－XC望遠(yuǎn)鏡對(duì)韋羅妮卡星座中的星系團(tuán)開展觀測(cè)，在硬X射線波段繪制出該星系團(tuán)中的熱氣體分布圖[13]；2020年12月，ART－XC完成第二次巡天，發(fā)現(xiàn)的X射線源數(shù)量與第一次相比幾乎翻了一倍，在銀河系及更遠(yuǎn)的地方發(fā)現(xiàn)了未知天體，包括被冷氣體包圍且在軟X射線下不可見的超大質(zhì)量黑洞，一些X射線源還顯示出很強(qiáng)的可變性；2021年7月，eROSITA發(fā)布首個(gè)數(shù)據(jù)集，涵蓋巡天前對(duì)29個(gè)不同區(qū)域的中子星、星系團(tuán)等多種天體開展的100次獨(dú)立觀測(cè)，面向全球天文學(xué)家開放下載；2021年10月，利用eROSITA數(shù)據(jù)編制了第一份遙遠(yuǎn)星系核心超大質(zhì)量黑洞附近潮汐破壞事件源表。

光譜－RG結(jié)構(gòu)

光譜－UV：大型紫外空間天文臺(tái)

光譜－UV又名“世界空間天文臺(tái)”，旨在以高角分辨率在紫外和光學(xué)波段開展基礎(chǔ)天體物理研究[14]。任務(wù)計(jì)劃于2028年從東方發(fā)射場(chǎng)發(fā)射，運(yùn)行在35800km的地球同步軌道，與赤道平面傾角為35°～40°，設(shè)計(jì)壽命7年。

光譜－UV由俄羅斯科學(xué)院天文學(xué)研究所負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，拉沃契金科研生產(chǎn)聯(lián)合體負(fù)責(zé)制造，主體是直徑1.7m、焦距17m的T－170m望遠(yuǎn)鏡，部分性能將超越哈勃望遠(yuǎn)鏡。其主要科學(xué)目標(biāo)包括：①研究太陽系行星大氣的物理化學(xué)成分；②研究熱恒星大氣物理學(xué)，冷恒星日冕活動(dòng)，恒星吸積現(xiàn)象，恒星質(zhì)量損失和爆發(fā)過程；③研究星際和星周物質(zhì)（氣體和塵埃粒子）的物理和化學(xué)性質(zhì)，星際介質(zhì)的相變；④研究活躍星系核的性質(zhì)，星系的化學(xué)演化，星系際介質(zhì)的物質(zhì)交換過程；⑤尋找宇宙中隱藏的重子物質(zhì)。

按照最初設(shè)計(jì)，光譜－UV是由俄羅斯?fàn)款^，西班牙、日本等國(guó)參與的國(guó)際合作項(xiàng)目。但考慮到當(dāng)前國(guó)際形勢(shì)下，國(guó)外合作伙伴可能會(huì)退出項(xiàng)目，因此俄羅斯科學(xué)院天文學(xué)研究所制定了國(guó)產(chǎn)元器件替代計(jì)劃。雖然解決了所有的技術(shù)問題，但還需要時(shí)間尋找新的承包商，重新設(shè)計(jì)和開發(fā)設(shè)備和系統(tǒng)。目前，俄羅斯已經(jīng)完成T－170m望遠(yuǎn)鏡的熱環(huán)境模型和振動(dòng)模型制造，并開展了各類地面測(cè)試[15]。

光譜－UV 結(jié)構(gòu)

光譜－M：對(duì)標(biāo)JWST的下一代大型紅外天文臺(tái)

光譜－M是“光譜”系列的第四個(gè)任務(wù)，在某些方面可以認(rèn)為是光譜－R的繼任者，旨在研究宇宙早期過程和超大質(zhì)量黑洞附近的時(shí)空幾何學(xué)，并尋找銀河系中的水和生物標(biāo)志物，助力解決現(xiàn)代天體物理學(xué)和宇宙學(xué)領(lǐng)域最緊迫的問題[16]。任務(wù)計(jì)劃于2029－2030年從拜科努爾發(fā)射場(chǎng)發(fā)射，將在日地拉格朗日L2點(diǎn)暈軌道運(yùn)行，設(shè)計(jì)壽命10年。

光譜－M總重6600kg，主鏡直徑3m，有24個(gè)天線波瓣，每個(gè)波瓣由3塊高模數(shù)碳纖維面板拼接而成，表面為鋁制射電反射涂層，展開后鏡面直徑10m。光譜－M的主要科學(xué)目標(biāo)包括：①研究行星及其衛(wèi)星大氣中的分子組成和物理?xiàng)l件；②研究行星際介質(zhì)的塵埃成分，以及范艾倫帶和奧爾特云中的天體；③繪制和研究不同類型恒星以及銀河系中子星和可能存在的夸克星的變化；④探測(cè)和研究恒星形成區(qū)，尋找宇宙中的生命跡象；⑤研究亞毫米脈澤；⑥暗物質(zhì)在銀河系和本星系群中的分布；⑦星系和類星體中氣體－塵埃成分的結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)與演化；⑧執(zhí)行搜尋地外文明計(jì)劃（SETI）；⑨研究遙遠(yuǎn)星系中的超新星并確定宇宙學(xué)參數(shù)；⑩研究星系的化學(xué)演化；?研究宇宙演化的早期階段，從再?gòu)?fù)合時(shí)代到再電離時(shí)代，第一批恒星和星系的出現(xiàn)，以及原始黑洞和“蟲洞”；?研究超大質(zhì)量黑洞的事件視界區(qū)域中活動(dòng)星系核的物理過程。特別是在宇宙生物學(xué)研究方面，光譜－M將主要對(duì)土星和木星的冰衛(wèi)星進(jìn)行光譜觀測(cè)，探究其表面和大氣組成，評(píng)估土衛(wèi)二和土衛(wèi)六的宇宙生物學(xué)潛力，分析這些衛(wèi)星的化學(xué)成分，結(jié)果有助于研究衛(wèi)星海洋與表面的相互作用。

俄羅斯科學(xué)院列別捷夫物理研究所天文研究中心主任、任務(wù)專家謝爾蓋·利哈切夫（Sergei Likhachev）認(rèn)為，光譜－M部分性能水平要高于美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）開發(fā)的“詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡”（JWST）。JWST僅能在可見光和中紅外波段工作，而光譜－M探測(cè)波長(zhǎng)范圍橫跨0.02～17mm，可以研究被星際塵埃遮掩的天體，便于準(zhǔn)確理解恒星的誕生及演化過程，還能對(duì)局部天空進(jìn)行快速測(cè)量。

值得一提的是，光譜－M具有單天線模式和干涉模式兩種工作模式。任務(wù)運(yùn)行的前3年將處于單天線模式，利用液氦使高靈敏度元器件保持在近乎絕對(duì)零度的低溫狀態(tài)，以開展高靈敏度觀測(cè)。在干涉儀模式下，光譜－M將與地面射電望遠(yuǎn)鏡一起，形成一個(gè)巨大、高靈敏的觀測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)3.7×10-8角秒的超高角分辨率。列別捷夫物理研究所科學(xué)秘書塔蒂亞娜·拉爾琴科娃（Tatyana Larchenkova）表示，光譜－M可以與正在建造中的烏茲別克斯坦Suffa射電天文臺(tái)合作，團(tuán)隊(duì)也希望與事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）團(tuán)隊(duì)合作，將其當(dāng)前接收的圖像質(zhì)量提高6～10倍。目前，衛(wèi)星制造企業(yè)正在建造包括主鏡展開系統(tǒng)在內(nèi)的天文臺(tái)各部件模型。

光譜－M 結(jié)構(gòu)

俄羅斯“光譜”系列任務(wù)技術(shù)參數(shù)對(duì)比

3 結(jié)語

盡管“光譜”系列任務(wù)規(guī)模宏大、性能先進(jìn)，有望助力俄羅斯天體物理學(xué)研究打開新的突破口，但與其他國(guó)家一樣，天基任務(wù)能否順利實(shí)施并非僅受限于科學(xué)想法和技術(shù)能力，預(yù)算水平也是一個(gè)重要變量[17]。縱觀過去10~20年，俄羅斯大約每5年實(shí)施一次科學(xué)任務(wù)發(fā)射，導(dǎo)致許多科學(xué)項(xiàng)目不得不排起長(zhǎng)隊(duì)。光譜－R和光譜－RG制造周期近30年，在這種情況下很難在開啟下一個(gè)天體物理學(xué)項(xiàng)目之前維持完整的技術(shù)團(tuán)隊(duì)。雖然俄羅斯政府于2021年11月從國(guó)家儲(chǔ)備資金中為航天工業(yè)發(fā)展追加了65億盧布撥款[18-19]，但經(jīng)費(fèi)主要用于正在實(shí)施的以及早期擱置的項(xiàng)目，“光譜”系列任務(wù)面臨的窘境依然難以突破。特別是在當(dāng)前俄羅斯面臨西方技術(shù)經(jīng)濟(jì)制裁的背景下，光譜－UV和光譜－M項(xiàng)目能否按計(jì)劃與國(guó)際伙伴合作完成，或順利解決元器件進(jìn)口替代和后續(xù)經(jīng)費(fèi)保障問題，是影響俄羅斯天體物理學(xué)天基任務(wù)未來發(fā)展的關(guān)鍵。