加快打造原始創新策源地,加快突破關鍵核心技術,努力搶占科技制高點,為把我國建設成為世界科技強國作出新的更大的貢獻。

——習近平總書記在致中國科學院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經濟主戰場、面向國家重大需求、面向人民生命健康,率先實現科學技術跨越發展,率先建成國家創新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設國際一流科研機構。

——中國科學院辦院方針

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太空望遠鏡?仰望星空的人類之眼

2023-08-03 光明日報
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“慧眼”衛星?中國科學院高能所供圖

最近,歐洲空間局歐幾里得空間望遠鏡成功搭乘獵鷹9號火箭發射升空,該望遠鏡將在天球面積三分之一的范圍內觀測距離超過100億光年的數十億星系,繪制出有史以來最大、最準確的宇宙時空3D地圖,以研究宇宙中的暗物質分布和暗能量的性質。目前,太空中活躍著很多空間望遠鏡,極大地豐富了人類對于宇宙的認知。但它們高昂的造價也總是引發公眾的討論:我們有必要將望遠鏡送到太空嗎?地面望遠鏡無法執行這些觀測任務嗎?

1.?去太空,獲取地面無法得到的宇宙信息

地球在大氣的保護中,但這對人類而言不可或缺的保護,卻給科學觀測設置了難題——僅射電(微波)和光學等波段幾乎不被或者少量被大氣吸收,而其他波段的輻射則會被大氣顯著吸收,因此只有將望遠鏡發射到太空中才能進行觀測。而即使對于可以在地面觀測的波段,比如光學望遠鏡,發射到太空也可以取得更好的觀測效果。

簡單來說,相比于地面望遠鏡,在太空中的空間望遠鏡具有多重優勢:

第一,空間觀測消除了大氣干擾。通常情況下,在地面進行觀測時,大氣折射會使得星光在觀測路徑中發生偏折,從而使天體的位置和形狀產生扭曲,形成所謂的“大氣像差”。同時地面觀測還面臨由大氣湍流、空氣污染和氣候變化等干擾因素所引起的圖像模糊、散射、吸收等問題??臻g望遠鏡位于大氣層之外,可以避免這些大氣干擾因素,因此能夠獲得更為清晰和準確的觀測數據。

第二,空間望遠鏡的觀測波段更寬??臻g望遠鏡不受地球大氣吸收的影響,可以在更寬的波段開展觀測,尤其是能夠完整觀測紅外、紫外以及更高能的X射線和伽馬射線波段的輻射。這對于我們從多個波段更全面地理解宇宙信息具有重要意義。

第三,空間望遠鏡能進行更高分辨率的觀測。理論上講,地面望遠鏡的分辨率與其口徑成正比。但當望遠鏡口徑達到一定值,大氣干擾將顯著影響觀測??臻g望遠鏡卻不受大氣湍流、折射以及濕度等因素的影響,避免了圖像模糊和失真等問題,同時能獲得更加精確和清晰的圖像。這種卓越的分辨率使我們能夠深入探索宇宙中微小的結構和現象,例如星際物質的分布和行星表面的細節。

第四,空間望遠鏡具備長時間連續觀測能力。除了被地球遮擋或處在南大西洋異常區等惡劣的空間環境外,空間望遠鏡能夠對觀測目標源進行長期連續觀測。無論是白天還是黑夜,是晴天還是陰天,它不受地球自轉和大氣條件的干擾,為科學家提供了更長時間的觀測窗口,增加了觀測效率和科學產出。這有助于捕捉和觀測天體的變化和演化過程,例如快速暴發現象、短暫事件以及需要長時間連續監測的目標源等,具有重要的科學意義。通過連續觀測,科學家可以更準確和細致地研究這些天體和現象的起因和演變規律,深入理解宇宙的動態過程。

第五,空間觀測能避免人為污染。地球的黑夜越來越亮,電磁信號也越來越多、越來越復雜,而地面儀器觀測需要很高的靈敏度,儀器附近一點點影響都會給觀測帶來巨大影響。比如,在地面光學望遠鏡附近,必須有一定范圍的燈光靜默區。地面射電望遠鏡也是如此,它的附近連微波爐都不能使用,游客參觀“天眼”等射電望遠鏡時是不能攜帶手機等能發射電磁信號的設備的??臻g望遠鏡可以有效避免由于人類活動引起的光污染以及射頻干擾等,從而得到更干凈的觀測數據。這為研究宇宙中更遠的天體現象、更微弱的信號和更細微的結構提供了獨一無二的機會。

空間望遠鏡是探索宇宙的更深層次、更全面的工具,有助于取得更多重要發現,例如宇宙的加速膨脹、太陽系新行星和衛星的探索、宇宙微波背景的輻射以及暗能量等。

2.?太空中,機遇與挑戰并存

然而,空間望遠鏡的運行和使用也面臨一些難題。

首先是高昂的成本??臻g望遠鏡的設計、制造、發射和運行都需要巨額資金的投入。設計一個能夠在太空極端環境中工作的空間望遠鏡需要先進的技術和高精度的儀器,從研發到測試以及制造,都要投入巨大成本。此外,為確保望遠鏡在太空中的可靠性和性能,需要在地面進行許多嚴苛的力學、熱學、真空等試驗,這也會產生巨額的資金投入。例如詹姆斯韋伯望遠鏡的造價就接近百億美元。此外,將空間望遠鏡送入太空需要借助火箭,而一次火箭發射所需要的費用可達幾百萬美元甚至上億美元。同時,運行和維護空間望遠鏡也需要大量的資金投入,包括遙測遙控、數據接收、科學運行以及數據的標定與分析等方面的費用。這些高昂的成本使得空間望遠鏡的規劃和執行具有挑戰性,需要合理的資金規劃以及財務支持,以確??臻g望遠鏡的順利運行。這也要求科學家、工程師以及相關機構等進行精心的規劃和設計來確??臻g望遠鏡項目的成功。

其次是技術難題??臻g望遠鏡在極端的外太空環境中工作,面臨著宇宙射線輻照、巨大的溫度變化、微小隕石的撞擊以及真空環境等挑戰。為了確保望遠鏡的正常運行和觀測精度,需要解決許多技術難題。

其中之一是精確的定位和穩定的姿態控制??臻g望遠鏡需要精確的位置和穩定的姿態,以確保目標源的可觀測性。這包括準確的指向和精確控制,以便消除望遠鏡自身的震動和漂移,從而獲取準確的觀測信息。例如,2016年發射的日本衛星“瞳”由于姿態控制出現問題,導致剛發射的衛星在太空中解體報廢。因此,精密的姿態控制技術對于空間望遠鏡的成功運行至關重要。

另一個挑戰是穩定的溫度控制。太空里溫度變化極大,從極冷的太空溫度到強烈的太陽輻射,溫差變化可達數百攝氏度。為了保證設備的正常運行,需要采取有效的溫度控制措施,例如隔熱材料和冷卻系統等,以確保設備在不同溫度條件下的穩定性和可靠性。

此外,可靠穩定的通信系統也是一個關鍵問題??臻g望遠鏡需要與地面系統進行通信,以接收指令、發送觀測數據和接收遠程控制信號??紤]到太空中復雜的環境和地球大氣層的影響,確保通信系統的可靠性和穩定性具有重要意義。

最后,還可能面臨維護和修復難題??臻g望遠鏡遠離地面,對設備的維修就變得極具挑戰性。雖然地面系統可以通過遠程操作解決一些問題,但由于地面系統與望遠鏡之間的通信延遲、復雜多變的空間環境等因素的影響,維護和修復設備需要非常仔細的計劃和精確的指令傳輸。

但有些問題仍需要工程師親自進行修復。航天飛機曾搭載相關人員去修復哈勃望遠鏡的畸變問題。但隨著航天飛機計劃的終止,對空間望遠鏡的修護任務變得愈加困難。未來可能需要依賴機器人技術或其他航天任務來進行維護和修復。

為了克服這些困難,科學家和工程師們也在不斷努力研制更加耐用的設備,以減少對人員干預的需求,提供更長久的觀測能力。此外,隨著技術的日新月異,未來更先進的機器人技術和自主化系統也可能會出現并被應用到空間望遠鏡的維護和修復上。

3.?中國造,為人類了解宇宙做出更多貢獻

空間望遠鏡開創了更寬的觀測窗口、拓寬了我們對宇宙的認知、激發了更多的科學問題和研究方向,對于進一步探索宇宙的起源和演化具有不可或缺的作用。在這方面,我國曾經落后于人。但近20年,特別是最近10年,我國積極進行空間探測,取得了值得驕傲的成就。

“慧眼”硬X射線調制望遠鏡(HXMT)衛星是我國第一臺空間X射線天文衛星,在2011年正式立項并進入工程研制階段,于2017年6月15日成功發射,開展科學觀測。它既可以實現寬波段(1-250keV)、大視場X射線巡天,又能夠研究黑洞、中子星等高能天體的短時標光變和寬波段能譜的空間X射線天文望遠鏡,同時也是具有高靈敏度的伽馬射線暴全天監視儀。

懷柔一號“極目”(GECAM)衛星是一個機遇型空間科學項目,2018年獲得工程立項,A星和B星2020年12月10日發射升空,C星于2022年7月27日搭載空間新技術試驗衛星發射入軌?!皹O目”系列衛星采用了一系列創新的探測技術,并開創性地使用北斗導航系統短報文服務實現星地準實時通信,實現了對空間高能暴發事件的快速發現、下傳與對外發布。

這些空間望遠鏡的成功發射和運行,使得我國在國際競爭激烈的高能天體物理觀測領域占有重要的一席之地?!盎垩邸焙汀皹O目”對宇宙中的黑洞、中子星、伽馬射線暴、磁星暴發、快速射電暴的高能對應體、太陽耀斑以及地球伽馬閃等開展了大量的觀測,幫助探索其物理機制和起源。特別是,對迄今最亮的伽馬暴的瞬時輻射和早期余輝進行的國際最高精度的測量,探測到了國際上第一例和第二例快速射電暴的電磁對應體為磁星,破解了其起源之謎,刷新了直接測量宇宙最強磁場(超16億特斯拉)的記錄、發現迄今為止黑洞中最高能量(200keV以上)的準周期震蕩等。

目前,我國正發起并牽頭多個空間望遠鏡項目,必將為未來的空間觀測任務開辟新的前沿,推動我們對宇宙的認識。

——中國空間站工程巡天望遠鏡(CSST)是我國載人空間站旗艦級項目,計劃于2024年發射。它是我國迄今為止最大的空間天文基礎設備,具有大視場、高像質、寬波段等突出特點,研究涉及宇宙學、星系科學、太陽系科學和系外行星等領域的諸多前沿熱點方向和重大科學問題。

—由歐洲和其他地區的多個研究單位參與的國際旗艦級空間望遠鏡-增強型X射線時變與偏振空間天文臺(eXTP),預計在2028年左右發射。它的核心科學目標可概括為:一奇(黑洞)、二星(中子星和夸克星)、三極端(極端引力、磁場和密度),將研究黑洞、中子星中的新物理過程,包括極端引力條件下的廣義相對論、極端密度條件下的量子色動力學和極端磁場條件下的量子電動力學等基本規律。

——“全變源追蹤獵人星座”計劃(CATCH)也是我國發起的空間項目,預計在2030年左右完成部署。它將由百顆微衛星組成智能化X射線觀測星座,旨在對全天變源開展多目標、多參量、不間斷觀測,實現刻畫極端宇宙多參量動態全景的核心科學目標。CATCH計劃的實施將進一步提升我國在空間天文領域的探測能力,并促進國際合作與交流。

空間望遠鏡的發射是為了克服地面觀測的限制,提供更清晰、準確和連續的觀測數據。它能夠消除大氣干擾和吸收、觀測更深的宇宙和更細微的細節,以及實現連續觀測。通過空間望遠鏡,我們能夠深入探索宇宙的起源、演化和結構,研究恒星、行星、星系以及宇宙中的各種現象和過程??臻g望遠鏡的確造價高昂,但它們是仰望星空的人類之眼,其獲取的知識、給人類社會帶來的福祉,將影響深遠。

(作者:馬瑞燦、葛明玉、鄭世界,分別系中國科學院高能物理研究所博士、研究員、副研究員,CATCH計劃負責人陶煉研究員、GECAM首席科學家熊少林研究員對本文亦有貢獻)

打印 責任編輯:侯茜

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