□ 本刊記者
我國(guó)的月基光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡訪中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)魏建彥研究員
□ 本刊記者
2013年12月2日,北京時(shí)間凌晨1時(shí)30分,成功發(fā)射嫦娥三號(hào)落月探測(cè)器
2013年12月2日,北京時(shí)間凌晨1時(shí)30分,我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心,用長(zhǎng)征-3B改進(jìn)型火箭成功發(fā)射嫦娥三號(hào)落月探測(cè)器,并將其送入近地點(diǎn)高度210千米、遠(yuǎn)地點(diǎn)高度約36.8萬(wàn)千米的地月轉(zhuǎn)移軌道。12月14日,嫦娥三號(hào)探測(cè)器經(jīng)歷黑色720秒的考驗(yàn),于21時(shí)11分成功著陸在月球西經(jīng)19.5度、北緯44.1度的虹灣以東地區(qū)。12月15日,各項(xiàng)設(shè)備順利開(kāi)展工作。此次嫦娥三號(hào)的任務(wù)可概括為“巡天觀地測(cè)月”,其中安置在著陸器上的“月基光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡”就是在月球上開(kāi)展天文觀測(cè)研究的“巡天”設(shè)備。它是我國(guó)首次在月球上放置的天文望遠(yuǎn)鏡,也是國(guó)際上首次在月球上進(jìn)行自動(dòng)天文觀測(cè)的天文設(shè)備。關(guān)于它的身世,請(qǐng)聆聽(tīng)中科院國(guó)家天文臺(tái)魏建彥研究員的講述。
Q1月基天文望遠(yuǎn)鏡是中國(guó)探月工程的一部分,請(qǐng)您介紹一下相關(guān)的背景情況。
A
在2006年2月9日發(fā)布的《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》中,月球探測(cè)工程被列為我國(guó)16個(gè)重大科技專項(xiàng)之一。按照月球探測(cè)的科學(xué)和工程目標(biāo),國(guó)家制定了月球探測(cè)“三步走”的中長(zhǎng)期規(guī)劃。月球探測(cè)將分為“繞、落、回”三期工程分步實(shí)施。其中,月球探測(cè)一期工程已于2007年10月成功發(fā)射了嫦娥一號(hào)“繞”月探測(cè)衛(wèi)星,目前此衛(wèi)星已發(fā)回大量遙感數(shù)據(jù),獲得了全月球影像圖等重要科學(xué)成果,任務(wù)取得圓滿成功。
月球探測(cè)二期工程嫦娥三號(hào)的科學(xué)目標(biāo)可概括為:月表形貌與地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)和研究;月表物質(zhì)成分和資源勘察;地球等離子體層的探測(cè)與月基天文觀測(cè)。為了實(shí)現(xiàn)探月二期工程科學(xué)目標(biāo)中的月基天文觀測(cè),中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)提出研制月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的建議。
嫦娥三號(hào)著陸器
Q2同地球上的望遠(yuǎn)鏡相比,在月球上進(jìn)行天文觀測(cè)有哪些優(yōu)勢(shì)?
A
在月球上進(jìn)行天文觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)是由月球自身的物理狀況決定的,具有以下幾方面的優(yōu)勢(shì):
1月球不存在大氣,沒(méi)有大氣窗口和大氣發(fā)射問(wèn)題。由于大氣吸收,來(lái)自宇宙空間的電磁波只能在一些特定波長(zhǎng)窗口才能穿透地球大氣,如可見(jiàn)光、近中紅外和毫米波、射電波。另一方面,地球大氣有從紫外到近紅外的熒光發(fā)射、紅外和毫米波熱發(fā)射、和散射,構(gòu)成天文觀測(cè)的強(qiáng)干擾背景,這也是對(duì)相應(yīng)波段天文觀測(cè)的主要限制之一。
2相對(duì)于地球,月球上的恒星周日運(yùn)動(dòng)較緩慢,對(duì)天體的連續(xù)可觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)。由于晝夜交替,地面難以獲得長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)觀測(cè)資料。而月球自轉(zhuǎn)周期是27.3天,比地球上慢27倍,因此,在月球上可以對(duì)天體進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的不間斷監(jiān)測(cè),原則上可達(dá)到一個(gè)星期乃至更長(zhǎng)的時(shí)長(zhǎng)。
3月基觀測(cè)不存在大氣擾動(dòng)所導(dǎo)致的天文視寧度問(wèn)題。地球的大氣擾動(dòng),在光學(xué)天文上表現(xiàn)為星象的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)和彌散,以及星象亮度的快速變化,這就是通常大家看到的星星“眨眼”,天文上則用視寧度來(lái)做定量描述。大氣擾動(dòng)嚴(yán)重影響了地基天文觀測(cè)的效率、精度和成像分辨率。
4月球極區(qū)可能存在永久的極端低溫環(huán)境。月球兩極附近的環(huán)形山底部永遠(yuǎn)不受太陽(yáng)和地球的照射,環(huán)境溫度很可能恒低至約30K,從這一方面來(lái)看那里有可能是進(jìn)行紅外天文觀測(cè)的理想場(chǎng)所。
5月球背面不受地磁環(huán)境和人類無(wú)線電活動(dòng)的影響,是射電寧?kù)o的,并且允許地球大氣電離層截止頻率以下(<10MHz)的長(zhǎng)波射電觀測(cè)。
月基光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)示意圖
Q3國(guó)外有沒(méi)有月基天文望遠(yuǎn)鏡?
A
1972年,阿波羅16號(hào)曾經(jīng)在月球上使用遠(yuǎn)紫外觀測(cè)設(shè)備,由宇航員手動(dòng)操作拍攝了一些天體的照片。這是一臺(tái)口徑3英寸(約76mm)的施密特望遠(yuǎn)鏡,終端儀器是遠(yuǎn)紫外相機(jī)/攝譜儀(100~160nm),被用來(lái)拍攝地球、星云、星團(tuán)和大麥哲倫星系。整個(gè)系統(tǒng)安放在一個(gè)簡(jiǎn)易的三腳架上并置于登月艙的影子里以避免白天過(guò)熱。遠(yuǎn)紫外相機(jī)的視場(chǎng)為20度,可以拍攝到11等的天體。宇航員用它拍攝了178幅圖像并記錄到磁帶上帶回了地球。
長(zhǎng)期以來(lái),天文學(xué)界都在對(duì)月基天文觀測(cè)的可行性和重要性進(jìn)行研究探討;而隨著各國(guó)探月與登月計(jì)劃的重啟,這方面的研究熱度又開(kāi)始迅速升溫,特別是建議在月球背面開(kāi)展長(zhǎng)波射電天文觀測(cè)。我國(guó)嫦娥三號(hào)上的月基望遠(yuǎn)鏡是一臺(tái)小尺寸但功能較完整的、可自動(dòng)觀測(cè)的近紫外天文望遠(yuǎn)鏡,一方面利用它做某些在地面上難以實(shí)現(xiàn)且有一定科學(xué)價(jià)值的觀測(cè),另一方面獲取在月基環(huán)境條件下進(jìn)行天文觀測(cè)的寶貴經(jīng)驗(yàn)。
月基光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡實(shí)物圖片
Q4請(qǐng)簡(jiǎn)單介紹一下我國(guó)月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的系統(tǒng)組成。
A
月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡安置于嫦娥三號(hào)著陸器上,主要由探頭及支架、反射鏡轉(zhuǎn)臺(tái)、電纜組以及附屬控制系統(tǒng)組成。產(chǎn)品總重量13.6kg,外形尺寸為615mm×350mm×350mm;望遠(yuǎn)鏡的物鏡口徑為150mm,視場(chǎng)大小1.36×1.36平方度;光學(xué)系統(tǒng)為RC系統(tǒng)(里奇-克列基昂系統(tǒng)),焦點(diǎn)為耐氏焦點(diǎn);指向反射鏡裝置采用二維轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái);探測(cè)器采用1k×1k紫外增強(qiáng)型幀轉(zhuǎn)移CCD;濾光膜鍍?cè)谛UR上,近紫外透過(guò),光學(xué)截止,工作波段245~340nm,非常接近哈勃空間望遠(yuǎn)鏡(HST)的F300X濾光片。
嫦娥三號(hào)月球著陸器及月基光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡在月球上的位置
月基光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡發(fā)布的首張星圖
月基光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡對(duì)天鵝座XZ變星的觀測(cè),該變星屬于天琴座RR型變星,坐標(biāo)(J2000.0):RA 19h32m29.3s,DEC +56°23′17",光變周期:0.4666
Q5月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的工作原理如何?
A
月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是通過(guò)二維轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡指向不同指定天區(qū),并對(duì)天體進(jìn)行必要的步進(jìn)跟蹤。反射鏡反射來(lái)自天空(天體)的輻射,由望遠(yuǎn)鏡收集后在焦平面上成像。安裝在焦平面上的CCD探測(cè)器將光子轉(zhuǎn)化為電子,再由讀出電路將其放大并數(shù)字化后記錄下來(lái)。
月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡直接獲取的是天體通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)在焦平面探測(cè)器上所成的圖像,從圖像上可以獲得天體在探測(cè)器上的位置和天體亮度。依據(jù)月球運(yùn)動(dòng)規(guī)律,可以把探測(cè)器上記錄的天體位置轉(zhuǎn)換到天球坐標(biāo)上的位置。探測(cè)器記錄下的天體亮度需要經(jīng)過(guò)一系列的儀器效應(yīng)改正(如本底場(chǎng)、暗場(chǎng)、平場(chǎng)等),并將改正后的天體亮度與選定的比較星或標(biāo)準(zhǔn)星的亮度比較后可以得到天體亮度的真實(shí)變化。
Q6為什么采用150mm的較小口徑和近紫外波段觀測(cè)呢?
A
考慮到資源有限,我們提議的月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的口徑為150mm;而為了優(yōu)化科學(xué)產(chǎn)出,我們把它的工作波段定在近紫外。由于地球大氣的吸收和散射,地球大氣對(duì)于小于320nm的紫外光基本上是完全不透明的,而320~400nm這個(gè)勉強(qiáng)可見(jiàn)的大氣窗口(天文上定義為U波段),在地基天文觀測(cè)中的實(shí)際使用頻率也很低。我們提出的望遠(yuǎn)鏡工作波段200nm~360nm的觀測(cè)很難在地面開(kāi)展。
Q7您帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)是如何確定月基望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)目標(biāo)的?
A
研制月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡主要是為了實(shí)現(xiàn)在近紫外波段對(duì)各種天文變?cè)吹牧炼茸兓袨檫M(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)監(jiān)測(cè)。對(duì)于很多重要的天文變?cè)?,?dǎo)致其亮度變化的物理過(guò)程,其主要輻射區(qū)的溫度往往高達(dá)10000K以上。因此,在近紫外波段的觀測(cè)要比可見(jiàn)光波段有利,并且更能接近輻射的核心區(qū)及所對(duì)應(yīng)物理過(guò)程的本質(zhì)。月基觀測(cè)完全避開(kāi)了地球大氣的吸收和散射,使得近紫外觀測(cè)成為可能。另外歸功于月基上緩慢的恒星周日運(yùn)動(dòng),可以對(duì)所選定的天文變?cè)催M(jìn)行最長(zhǎng)可達(dá)數(shù)天至約十天的不間斷監(jiān)測(cè),從而能更徹底地揭示各種復(fù)雜的光變行為,進(jìn)而揭示造成光變的物理機(jī)制。這樣長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)觀測(cè),是通常低軌天文衛(wèi)星難以實(shí)現(xiàn)的,也發(fā)揮了月基觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)。
此外,銀道面上存在大量的OB星協(xié)、大質(zhì)量恒星形成區(qū)、行星狀星云等強(qiáng)紫外發(fā)射天體,在近紫外波段做大視場(chǎng)的成像觀測(cè)將是研究恒星形成和恒星晚期演化的重要手段。這將填補(bǔ)GALEX衛(wèi)星因?yàn)榧夹g(shù)原因不能對(duì)低銀道帶進(jìn)行巡天所留下的空白。
綜上所述,月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)目標(biāo)主要集中在兩個(gè)方面:對(duì)一些重要天體的光變進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè),觀測(cè)研究其變化特性和物理機(jī)制;對(duì)低銀道帶進(jìn)行巡天觀測(cè),獲得巡天星圖和星表。
天鵝座XZ變星的光變情況
Q8請(qǐng)您具體說(shuō)一說(shuō)科學(xué)目標(biāo)包含哪些天文研究課題?
A
就天文變?cè)炊?,其種類繁多,而考慮到月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在口徑和測(cè)光精度方面的限制,要求觀測(cè)目標(biāo)的光變比較劇烈、時(shí)標(biāo)可從數(shù)分鐘到約一兩天且在近紫外波段較亮。經(jīng)過(guò)調(diào)研及國(guó)內(nèi)天文學(xué)家的建議,我們把月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的監(jiān)測(cè)對(duì)象歸為四個(gè)大類,分別是激變變星等含致密星的相互作用雙星、活動(dòng)星系核、類太陽(yáng)色球活動(dòng)星、天琴座RR等短周期脈動(dòng)變星。選源的方法之一可以是把這些變?cè)吹囊阎潜砀鶪ALEX衛(wèi)星的近紫外巡天星表進(jìn)行交叉,找出亮度和天區(qū)落在月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的可觀測(cè)范圍內(nèi)的源。
Q9從技術(shù)角度考慮,月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對(duì)我國(guó)天文發(fā)展有什么意義?
A
空間天文在我國(guó)處于剛剛開(kāi)始的階段,空間天文設(shè)備研制和運(yùn)行的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)都很缺乏,到目前為止,除了正在運(yùn)行的月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡,我國(guó)在2001年,在神舟二號(hào)搭載過(guò)“宇宙伽馬暴監(jiān)視器”。月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡口徑雖小,卻是“五臟俱全”,尤其是具有二維轉(zhuǎn)動(dòng)指向功能,以及器上觀測(cè)計(jì)劃解析、執(zhí)行、圖像處理等復(fù)雜的軟件功能,因此,月基望遠(yuǎn)鏡的論證、研制和運(yùn)行將為我國(guó)后續(xù)空間天文望遠(yuǎn)鏡的研制和運(yùn)行提供重要的經(jīng)驗(yàn)和積累。
月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在月面工作,望遠(yuǎn)鏡工作環(huán)境比較嚴(yán)酷,例如月球環(huán)境溫度的劇烈變化、無(wú)遮擋的太陽(yáng)輻射等嚴(yán)酷條件,以及對(duì)系統(tǒng)重量、體積和功耗等方面的苛刻要求,都對(duì)望遠(yuǎn)鏡提出了許多更新更高的要求。因此,需要研究新的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,并開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān),以便能夠研制出體積小、重量輕、功耗低、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠的月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。月基光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡關(guān)鍵技術(shù)的研究,將推動(dòng)我國(guó)在航天光學(xué)和機(jī)械部件輕量化、CCD探測(cè)器技術(shù)、星載處理技術(shù)、熱控技術(shù)等領(lǐng)域的技術(shù)儲(chǔ)備和提高。
相互作用的雙星示意圖
Q10上面提到的天文研究課題都是利用近紫外波段進(jìn)行研究的,請(qǐng)您談一談國(guó)際紫外空間天文觀測(cè)現(xiàn)狀。
A
目前國(guó)內(nèi)外在紫外和近紫外波段的觀測(cè)天文學(xué),其發(fā)展速度相對(duì)光學(xué)、紅外等其他波段而言還有待提高。早期的紫外天文觀測(cè)嘗試是通過(guò)搭載火箭、衛(wèi)星和載人飛船進(jìn)行的;現(xiàn)代紫外天文學(xué)的真正開(kāi)端是1972年發(fā)射的歐洲TD-1衛(wèi)星,它巡天發(fā)現(xiàn)了5萬(wàn)多個(gè)紫外源(150~280nm),然后是1974年發(fā)射的荷蘭天文衛(wèi)星ANS對(duì)5千多個(gè)源進(jìn)行定點(diǎn)觀測(cè)(150~350nm)。最成功的紫外天文衛(wèi)星是1978年發(fā)射的IUE,它工作了18年,用一臺(tái)口徑45cm的望遠(yuǎn)鏡拍攝了近1萬(wàn)個(gè)源的大量光譜(110~320nm)。20世紀(jì)80~90年代還有約10個(gè)搭載的紫外天文設(shè)備,或多或少取得了一些成果。當(dāng)然,哈勃空間望遠(yuǎn)鏡(HST)也有紫外波段的觀測(cè)能力(120~300nm)。
21世紀(jì)已經(jīng)工作的紫外天文設(shè)備,除了XMM-Newton衛(wèi)星和Swift衛(wèi)星上的口徑30cm的光學(xué)/紫外望遠(yuǎn)鏡(160~600nm),最重要的是1997年發(fā)射的GALEX衛(wèi)星,它使用口徑50cm的望遠(yuǎn)鏡在135~180nm和180~280nm這兩個(gè)波段做全天巡天,深度達(dá)到了近21等;巡天已發(fā)現(xiàn)的源數(shù)目巨大,并且包含有大量的變?cè)?。?zhǔn)備上天的或正在計(jì)劃中的紫外天文觀測(cè)設(shè)備不多,有印度衛(wèi)星ASTROSAT上的紫外望遠(yuǎn)鏡(120~300nm),印度-以色列小衛(wèi)星TAUVEX(140~320nm),以及俄、歐等國(guó)合作的國(guó)際紫外天文臺(tái)項(xiàng)目WSO。
XMM-Newton (X-ray Multi-Mirror Mission - Newton)衛(wèi)星是歐空局發(fā)射的X射線天文衛(wèi)星
Q11我國(guó)的月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡,已經(jīng)在月球開(kāi)展了正常觀測(cè),你認(rèn)為我國(guó)這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡有哪些獨(dú)特之處或者說(shuō)成功之處?
A
月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡包括三種工作模式:待機(jī)模式,處于加電但不獲取探測(cè)數(shù)據(jù)狀態(tài);指向調(diào)整模式,處于指向調(diào)整狀態(tài);探測(cè)模式,處于開(kāi)機(jī)獲取探測(cè)數(shù)據(jù)狀態(tài)。在進(jìn)行天文觀測(cè)時(shí),首先依據(jù)地面上傳的觀測(cè)計(jì)劃,生成觀測(cè)指令,調(diào)整反射鏡指向,待反射鏡指向目標(biāo)到位穩(wěn)定后,探測(cè)器開(kāi)始曝光,如果目標(biāo)偏離視場(chǎng),則結(jié)束曝光再次調(diào)整反射鏡指向,如此反復(fù),直至地面上傳指令結(jié)束觀測(cè)任務(wù)或超出工作邊界條件,進(jìn)而等待下次指令。
月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡具有以下特點(diǎn):人類首次嘗試依托地外天體平臺(tái)開(kāi)展自主天文觀測(cè);自動(dòng)化程度高,在月面任意正常的著陸姿態(tài)下,通過(guò)位置定標(biāo),望遠(yuǎn)鏡能夠?qū)崿F(xiàn)精確指向和步進(jìn)跟蹤控制,國(guó)內(nèi)首次在具有空間環(huán)境適應(yīng)性的計(jì)算機(jī)單元上實(shí)現(xiàn)天文圖像中目標(biāo)的識(shí)別、匹配及提取;重量輕,通過(guò)輕質(zhì)復(fù)合材料的選取以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)超輕量化;月面環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),可在-20℃~40℃的溫度范圍內(nèi)不依賴調(diào)焦機(jī)構(gòu)滿足望遠(yuǎn)鏡工作指標(biāo)要求。
SOHO天文衛(wèi)星觀測(cè)到的太陽(yáng)活動(dòng),類太陽(yáng)活動(dòng)恒星也是月基光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)目標(biāo)。
活動(dòng)星系核是月基光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)目標(biāo)
Q12到目前為止月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在月球上的時(shí)間3個(gè)多月了,它的工作狀態(tài)如何?你們團(tuán)隊(duì)是否已經(jīng)獲得了可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)?
A
到目前為止,望遠(yuǎn)鏡工作狀態(tài)正常。在數(shù)據(jù)下載能力許可的情況下,都可以進(jìn)行開(kāi)機(jī)觀測(cè)。接受國(guó)內(nèi)天文界,尤其是變星研究人員,提出的觀測(cè)申請(qǐng),按計(jì)劃開(kāi)展變星光變監(jiān)測(cè)和巡天觀測(cè)。數(shù)據(jù)后續(xù)處理結(jié)果表明,測(cè)光精度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
Q13國(guó)外月基天文觀測(cè)的前景如何?
A 國(guó)外新近提議的月基天文觀測(cè)計(jì)劃多是較大規(guī)模的,屬于遠(yuǎn)期規(guī)劃的范疇。比較受關(guān)注的有:
1 在月球背面建立射電天線陣,工作在地球電離層截止頻率以下(0.1~10MHz),以探測(cè)宇宙極早期“黑暗年代”的氫21cm發(fā)射。我國(guó)天文界在這方面也提出了相應(yīng)的項(xiàng)目建議,獲得了國(guó)家相關(guān)部門的預(yù)研究經(jīng)費(fèi)支持。
2 利用月球表面的低重力,建造超大口徑(30~100m)的自轉(zhuǎn)液體望遠(yuǎn)鏡,再加上利用極區(qū)的恒低溫和恒定天區(qū),進(jìn)行極深的近紅外觀測(cè);
3 由于月球有一個(gè)地質(zhì)學(xué)超穩(wěn)定的固態(tài)表面,可建立光學(xué)和近紅外望遠(yuǎn)鏡的長(zhǎng)基線干涉陣,做超高分辨率成像特別是太陽(yáng)系外行星的觀測(cè);
4 部署中小口徑、不帶跟蹤功能的望遠(yuǎn)鏡,利用月基上恒星周日運(yùn)動(dòng)的緩慢,在紫外波段做帶狀天區(qū)的巡天觀測(cè)。
(責(zé)任編輯 張長(zhǎng)喜)