太空最大相機(jī)！中國巡天望遠(yuǎn)鏡來了
將于明年發(fā)射的它能“巡”到啥，到底有多厲害？
記者 于梅君
浩渺宇宙、無垠星空，探索的征程充滿未知，而太空望遠(yuǎn)鏡，則是人類望向深空的眼睛。中國人為了把星辰大海看得更廣、更深、更清晰，計(jì)劃明年發(fā)射我國首個大型空間巡天望遠(yuǎn)鏡，未來它將與中國空間站共軌飛行，打造中國的“深空之眼”，帶來全景式宇宙高清圖，成為太空中最大的相機(jī)。
中國空間站望遠(yuǎn)鏡藝術(shù)構(gòu)想圖中國的“深空之眼”視力有多好？
2021年12月25日，哈勃望遠(yuǎn)鏡繼任者、新一代空間望遠(yuǎn)鏡——詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空，前往探索更遙遠(yuǎn)的宇宙深空。我國無數(shù)天文學(xué)家翹首以盼：何時我們也會有一臺屬于自己的空間望遠(yuǎn)鏡，用屬于中國的深空之眼探視宇宙？這個日子很快就要到來了。
中國載人航天工程辦公室主任郝淳介紹，中國空間站在軌建造將于2022年完成，而在2023年，將發(fā)射我國首個大型空間巡天望遠(yuǎn)鏡，開展廣域巡天觀測。
中國科學(xué)院國家天文臺副臺長、中國空間站望遠(yuǎn)鏡科學(xué)工作聯(lián)合中心主任劉繼峰表示，中國空間站望遠(yuǎn)鏡非常有氣勢，大小相當(dāng)于一輛大客車，立起來有三層樓高，口徑為兩米，與哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的口徑相當(dāng)，而視場比哈勃望遠(yuǎn)鏡大350倍。
中國空間站望遠(yuǎn)鏡科學(xué)數(shù)據(jù)責(zé)任科學(xué)家李然介紹，哈勃望遠(yuǎn)鏡相機(jī)的探測器有手掌般大小，而中國空間站望遠(yuǎn)鏡巡天模塊的主焦面是由三十塊探測器拼起來的，每一塊都比哈勃的探測器大，也具有更多的像素?cái)?shù)，運(yùn)行后，它將成為太空中最大的相機(jī)。
“哈勃望遠(yuǎn)鏡的視野大概是我們手伸直后一個指甲蓋大小的1/100,它已觀測宇宙30年，但它所有的數(shù)據(jù)只占夜空中很小的一部分。”李然說，“這就好比山上有一群羊，哈勃望遠(yuǎn)鏡能看到其中一只羊，而中國空間站望遠(yuǎn)鏡可以把成千上萬只羊都拍下來，而且每一只都和哈勃望遠(yuǎn)鏡看到的一樣清楚。”
“我們的望遠(yuǎn)鏡非常適于巡天，可以比較快地完成大范圍宇宙觀測。”中國空間站望遠(yuǎn)鏡巡天光學(xué)設(shè)施責(zé)任科學(xué)家詹虎介紹，這臺望遠(yuǎn)鏡最初是被設(shè)計(jì)放在中國空間站上，但這樣觀測會受到限制，最終采取的方案是與空間站共軌獨(dú)立飛行，它自身攜帶燃料，需要時可與空間站對接進(jìn)行補(bǔ)給、維修和設(shè)備更新?lián)Q代。它規(guī)劃的任務(wù)壽命是10年，但通過維修，可以不斷延長其壽命。
將觀測超10億個星系，揭示宇宙演化奧秘
作為我國最昂貴的空間天文設(shè)施，中國空間站望遠(yuǎn)鏡的主要任務(wù)是幫助解答宇宙最基本的問題，比如暗物質(zhì)、暗能量是什么，星系如何演化，以幫助人類理解宇宙。它會給超過40%的夜空區(qū)域拍照，相當(dāng)于把宇宙的一塊切回來放到地球上，這些圖像會被數(shù)字化，產(chǎn)生非常大的數(shù)據(jù)量，全球科學(xué)家都可以用這些信息開展研究。
“目前中國雖已是航天大國，但空間天文發(fā)展還相對滯后，這臺望遠(yuǎn)鏡對于中國科學(xué)家是非常難得的機(jī)遇，我們希望它能帶來激動人心的發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)人類對宇宙認(rèn)知的突破。”詹虎介紹，這臺望遠(yuǎn)鏡采用離軸光學(xué)系統(tǒng)，安裝了5臺第一代觀測儀器，包括巡天模塊、太赫茲模塊、多通道成像儀、積分視場光譜儀、系外行星成像星冕儀等，將幫助天文學(xué)家觀測超過10億個星系，確定這些星系的位置、形態(tài)、亮度，并繪制出宇宙的結(jié)構(gòu)和演化。
從目前全球規(guī)劃看，在2025年至2035年間，中國空間站望遠(yuǎn)鏡在其工作的近紫外至可見光波段內(nèi)，可能是能力最強(qiáng)的太空巡天望遠(yuǎn)鏡，其設(shè)計(jì)指標(biāo)很多方面都是世界領(lǐng)先的。
“我們已經(jīng)知道宇宙是膨脹的，也可以測出當(dāng)前的膨脹速率。但宇宙膨脹速率是不是變化的？到底是什么支撐宇宙的膨脹？這是當(dāng)今物理學(xué)最關(guān)鍵的問題之一。天文學(xué)家將通過中國空間站望遠(yuǎn)鏡研究宇宙中物質(zhì)的演化，去測量宇宙的膨脹歷史，這有望揭開新物理學(xué)邊疆的面紗。”李然說，它能幫助天文學(xué)家繪制接近100億光年的暗物質(zhì)地圖，以推測暗物質(zhì)是什么，去解答宇宙的另一基本問題。
“它還可以觀察太陽系中的大行星。比如天王星還沒有軌道探測器去觀測過，它的軌道周期為80多年，哈勃望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)監(jiān)測了很多年，等中國空間站望遠(yuǎn)鏡升空后，哈勃望遠(yuǎn)鏡可能不再工作，所以人類要想知道天王星在一個完整軌道周期里是怎樣的，中國可以貢獻(xiàn)這部分知識。”李然表示。
中國空間站望遠(yuǎn)鏡還能做很多非常有趣的觀測研究，比如它可以繪制出精確的銀河系塵埃地圖，觀測超大質(zhì)量黑洞如何吞噬物質(zhì)，通過高對比度直接成像，拍攝研究暗弱的系外行星，有可能發(fā)現(xiàn)新的特殊天體。
也有人會問：中國不是有天眼FAST嗎？為啥還要發(fā)射巡天望遠(yuǎn)鏡？據(jù)介紹，兩種望遠(yuǎn)鏡性質(zhì)是不一樣的，中國天眼屬于世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，它的“大鍋”主要接收宇宙中的無線電波，從而研究宇宙當(dāng)中的致密天體，如脈沖星以及無線電波段的天體，這些天體在可見光波段是看不見的。而巡天望遠(yuǎn)鏡屬于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，它將幫助天文學(xué)家觀測超過10億個星系。
為什么要把望遠(yuǎn)鏡放到太空？
1609年，意大利天文學(xué)家、物理學(xué)家伽利略發(fā)明了世界上第一臺天文望遠(yuǎn)鏡，讓人們第一次看清了地球附近的天體。自此人類的目光正式投向浩瀚星空。這種光學(xué)望遠(yuǎn)鏡針對的是可見光頻段。但是，地球的濃厚大氣、電離層、臭氧層和地磁場等“聯(lián)合”起來，阻擋了宇宙中絕大部分高能粒子和電磁波抵達(dá)地表，讓人類“失明”“失聰”。
很多人小時候都唱過一首兒歌：“一閃一閃亮晶晶，滿天都是小星星”，星星之所以會一閃一閃的，就是由于大氣端流的遮擋。由于大氣的存在，即使在地球上最優(yōu)的觀測點(diǎn)，望遠(yuǎn)鏡在光學(xué)波段的分辨能力也很難持續(xù)超過0.7角秒。而宇宙中大多數(shù)星系只有幾個角秒大小，很多遙遠(yuǎn)的星系在地面望遠(yuǎn)鏡上根本分辨不出任何結(jié)構(gòu)。將望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到太空，就是為了屏蔽大氣污染、光污染等因素的干擾，進(jìn)行更為清晰的觀測。
1990年4月24日，發(fā)現(xiàn)號航天飛機(jī)將人類第一臺太空望遠(yuǎn)鏡——哈勃望遠(yuǎn)鏡，送到距地面約600公里的軌道上運(yùn)行，自此，人類有了第一顆太空之眼。自升空以來，哈勃望遠(yuǎn)鏡已拍攝了30000多個天體的照片，建立了50多萬個影像檔案，曾觀測到星云、黑洞等多種宇宙奇觀。
2021年12月25日晚，歷時25年研發(fā)，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡升空，奔向離地球150萬公里外的地方，它是史上第一款超級紅外線太空望遠(yuǎn)鏡，口徑達(dá)到6.5米，太空觀測能力是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的100倍，不僅為了仰望星空，更是為了探究神秘宇宙與人類文明的本質(zhì)連接。
我國的巡天望遠(yuǎn)鏡升空后，將能精細(xì)觀察成千上萬的星系，“它會帶來非常精美的宇宙圖片，讓普通人真切地感受、理解宇宙。”李然表示，按照計(jì)劃，“巡天”望遠(yuǎn)鏡工作前十年的大部分時間，將致力于通過對天空的廣泛觀察，來了解宇宙的歷史和演化。未來，與中國空間站共軌飛行的巡天望遠(yuǎn)鏡，將成為旗艦級空間天文設(shè)施，為人類帶來對宇宙的革命性認(rèn)知。