“毫米波射電空間物理天文臺(tái)”攜手向深空

文/平勁松 魯暘筱懿

俄羅斯Millimetron空間天文臺(tái)，全稱(chēng)為“毫米波射電空間物理天文臺(tái)”（包括1個(gè)Millimetron衛(wèi)星和地基觀測(cè)系統(tǒng)），計(jì)劃于2029年發(fā)射升空，它的主要任務(wù)分為兩期，分別將運(yùn)行于距地球150萬(wàn)公里的日地拉格朗日L2點(diǎn)區(qū)域和地月空間大橢圓軌道上。

該天文臺(tái)將裝備世界上最大（直徑10米）的寬頻譜口徑空間望遠(yuǎn)鏡，旨在對(duì)毫米、亞毫米和紅外波段（波長(zhǎng)范圍從80微米到20毫米）開(kāi)展觀測(cè)，有望在現(xiàn)代天體物理學(xué)和宇宙學(xué)前沿領(lǐng)域的一系列重要科學(xué)問(wèn)題上獲得革命性突破，包括詳細(xì)研究黑洞陰影、蟲(chóng)洞搜尋、星際水分子搜尋、宇宙微波背景輻射光譜畸變、恒星形成及生命起源等。

Millimetron空間天文臺(tái)有兩種運(yùn)行模式：?jiǎn)翁炀€望遠(yuǎn)鏡模式和地—空甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量模式（以下簡(jiǎn)稱(chēng)VLBI），簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，VLBI就是把幾個(gè)相距很遠(yuǎn)的小望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合起來(lái)，達(dá)到一架大望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)效果。在單天線模式下，望遠(yuǎn)鏡具有極高的靈敏度，可對(duì)亞毫米和紅外波段各種宇宙弱源信號(hào)開(kāi)展觀測(cè)。在空間VLBI模式下，能以10-8角秒的最高角分辨率研究宇宙中最致密天體——黑洞。正是由于其前瞻科學(xué)目標(biāo)和技術(shù)占位，Millimetron空間天文臺(tái)被認(rèn)為是俄羅斯下一代空間VLBI項(xiàng)目。

Millimetron空間天文臺(tái)已獲俄羅斯聯(lián)邦政府批準(zhǔn)正式立項(xiàng)，列入2016—2025年度俄聯(lián)邦空間項(xiàng)目（Federal Space Program，F(xiàn)SP）。該項(xiàng)目由俄羅斯科學(xué)院列別捷夫物理研究所（LPI）發(fā)起并負(fù)責(zé)，總承建單位是俄羅斯航天集團(tuán)（Roscosmos）。在中俄雙方科學(xué)院和航天局的合作框架下，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)、上海天文臺(tái)、紫金山天文臺(tái)的科研技術(shù)人員多方位參與了該項(xiàng)目的合作。中方提議主張的低頻射電天文技術(shù)與項(xiàng)目合作，也納入了Millimetron空間天文臺(tái)項(xiàng)目的計(jì)劃。中俄主要業(yè)務(wù)分工是俄方俄羅斯科學(xué)院列別捷夫物理研究所空間天文中心牽頭研制國(guó)際上首個(gè)空間毫米波亞毫米波射電天文臺(tái)，負(fù)責(zé)科學(xué)探索國(guó)際聯(lián)合團(tuán)隊(duì)的組建、實(shí)施。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)承擔(dān)空間低頻射電天文和星地協(xié)同觀測(cè)、衛(wèi)星在月球空間的月球激光測(cè)距（LLR）測(cè)軌、衛(wèi)星LRR測(cè)軌、星地時(shí)頻傳遞校準(zhǔn)、廣義相對(duì)論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。上海天文臺(tái)負(fù)責(zé)建設(shè)中俄合作毫米波空間天文VLBI干涉測(cè)量數(shù)據(jù)分析聯(lián)合中心，并承擔(dān)這部分科學(xué)數(shù)據(jù)的管理、分發(fā)與研究應(yīng)用。紫金山天文臺(tái)承擔(dān)毫米波和亞毫米波個(gè)別空間載荷的技術(shù)研發(fā)和研制。

開(kāi)展聯(lián)合觀測(cè)與月球動(dòng)力研究

近十年以來(lái)在中科院“俄烏白”合作項(xiàng)目和科技部國(guó)際合作項(xiàng)目共同支持下，國(guó)家天文臺(tái)與俄羅斯空間研究所、應(yīng)用天文研究所等，聯(lián)合開(kāi)展了地月激光與微波測(cè)距與動(dòng)力學(xué)應(yīng)用、月球歷表構(gòu)建合作、月球自轉(zhuǎn)與內(nèi)部構(gòu)造等研究，把激光和微波技術(shù)拓展應(yīng)用于地月空間科學(xué)探測(cè)與活動(dòng)。

雙方聯(lián)合開(kāi)展地月之間的微波探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)合作研究，共同研發(fā)國(guó)際領(lǐng)先的地月高精度微波測(cè)距技術(shù)，借助嫦娥三號(hào)月球著陸器和地面微波系統(tǒng)聯(lián)合開(kāi)展月球探測(cè)，共同搭建新技術(shù)應(yīng)用驗(yàn)證平臺(tái)，用于月球空間導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展和動(dòng)力學(xué)聯(lián)合探測(cè)，取得了重大進(jìn)展。該項(xiàng)地月之間的微波探測(cè)新技術(shù)的成功實(shí)施，開(kāi)啟了月球和行星無(wú)線電相位測(cè)距空間測(cè)量技術(shù)與應(yīng)用的新篇章；首次在月球自轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域獲得擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新類(lèi)型的空間測(cè)量數(shù)據(jù)。雙方的合作促進(jìn)了相關(guān)技術(shù)水平的提升，其中月球深空探測(cè)開(kāi)環(huán)無(wú)線電測(cè)量技術(shù)在國(guó)際上處于領(lǐng)先位置。

月球歷表是關(guān)于月球運(yùn)行軌道、空間轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)測(cè)與精密預(yù)報(bào)信息的模型和數(shù)據(jù)庫(kù)總稱(chēng)。中俄雙方共同推進(jìn)月球歷表的構(gòu)建和應(yīng)用技術(shù)。在中方的支持推動(dòng)下，俄方團(tuán)隊(duì)的月球歷表構(gòu)建方式從單一的月球激光測(cè)距（LLR），拓展到了LLR與地月微波測(cè)距技術(shù)相組合。在俄方的幫助下，中方團(tuán)隊(duì)突破了月球自轉(zhuǎn)歷表的構(gòu)建和自主預(yù)報(bào)技術(shù)，可以初步穩(wěn)定預(yù)報(bào)約100年的月球軌道和轉(zhuǎn)動(dòng)歷表。基于俄羅斯團(tuán)隊(duì)的高精度月球和地球歷表，中方團(tuán)隊(duì)提出了新的地月空間引力波探測(cè)和引力紅移檢驗(yàn)的策略方法，提出了新的地球定向參數(shù)的獨(dú)立測(cè)量和地球表面引力紅移高精度檢驗(yàn)修正方法?；诙砹_斯團(tuán)隊(duì)的高精度的月球和地球歷表，中方團(tuán)隊(duì)拓展了月球表面光照環(huán)境演化分析算法，為人類(lèi)未來(lái)的月面著陸探測(cè)選址提供月面光照和對(duì)地通信可視條件預(yù)報(bào)資料。

在上述合作基礎(chǔ)上，借助中俄各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，雙方積極推進(jìn)地月之間激光測(cè)距、微波測(cè)距、VLBI、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等綜合測(cè)量在國(guó)際月球科考站科學(xué)探索中的應(yīng)用，共同提出在中俄月球科考站合作中聯(lián)合開(kāi)展月球動(dòng)力學(xué)、天球參考框架連接等前瞻引領(lǐng)科學(xué)探索。

獲得月球歷表的LLR、微波測(cè)量等技術(shù)和歷表本身是支撐Millimetron空間天文臺(tái)任務(wù)分析、實(shí)施、數(shù)據(jù)獲取與分析研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。月球數(shù)值歷表為Millimetron衛(wèi)星任務(wù)和科學(xué)數(shù)據(jù)分析提供了精密的空間參考框架，地月測(cè)距技術(shù)同時(shí)也在地月空間為Millimetron衛(wèi)星的精密軌道測(cè)量和星—地時(shí)頻傳遞與同步需求提供不可或缺的業(yè)務(wù)支撐。

共同參與Millimetron項(xiàng)目

國(guó)家天文臺(tái)下屬的VLBI臺(tái)站多次參與了列別捷夫物理研究所主導(dǎo)的俄羅斯空間VLBI項(xiàng)目射電天文衛(wèi)星（Radio Astron Satellite)的國(guó)際聯(lián)合觀測(cè)，為該項(xiàng)目的在軌運(yùn)行提供了重要支持。該衛(wèi)星的地面觀測(cè)由俄羅斯科學(xué)院應(yīng)用天文研究所和列別捷夫物理研究所、空間研究所等主持。國(guó)家天文臺(tái)促成并主持了地月空間高精度歷表、參考架、VLBI、定軌導(dǎo)航、時(shí)間頻率傳遞等領(lǐng)域的合作研究，包括為Millimetron衛(wèi)星中俄地月空間的VLBI射電測(cè)量合作提供軌道測(cè)量、引力理論驗(yàn)證等支持。同時(shí)還在毫米波射電測(cè)量方面與俄羅斯開(kāi)展合作研究，包括參與空間毫米波單天線射電天文觀測(cè)科學(xué)研究，提供地面毫米波臺(tái)站參與Millimetron衛(wèi)星空間觀測(cè)的協(xié)同觀測(cè)、VLBI觀測(cè)。

國(guó)家天文臺(tái)近年來(lái)與列別捷夫物理研究所就Millimetron項(xiàng)目和空間低頻VLBI技術(shù)多次互訪并進(jìn)行深度交流。2020年雙方簽署了合作備忘錄，將合作發(fā)展空間低頻射電天文的空間技術(shù)、開(kāi)展低頻射電VLBI數(shù)據(jù)分析處理和科學(xué)研究，探索宇宙早期演化奧秘和太陽(yáng)系外恒星系統(tǒng)射電輻射特性。國(guó)家天文臺(tái)還將參與Millimetron項(xiàng)目的衛(wèi)星精密軌道測(cè)量業(yè)務(wù)，提供衛(wèi)星的時(shí)頻比對(duì)校準(zhǔn)、高精度引力紅移驗(yàn)證的星—地鏈路測(cè)量支撐，參與空間衛(wèi)星低頻射電的單站觀測(cè)、地面星地協(xié)同觀測(cè)和科學(xué)數(shù)據(jù)地面接收工作。

優(yōu)化Millimetron設(shè)計(jì)

在空間射電天文探測(cè)領(lǐng)域，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)2006年開(kāi)始推進(jìn)國(guó)際合作空間低頻射電天文探測(cè)。

電磁波多頻段和多種物理場(chǎng)手段探測(cè)宇宙奧秘是天文學(xué)領(lǐng)域發(fā)展前沿。在無(wú)線電電磁波譜上，相比于其他頻帶，低于30MHz的低頻射電天文探測(cè)和高于300GHz的高頻射電天文探測(cè)還幾乎是空白頻段，是獲得全新的天體輻射和爆發(fā)信息的關(guān)鍵窗口。低頻射電天文觀測(cè)一方面可以利用月球背面“干凈”電磁環(huán)境開(kāi)展，另一方面可以借助在距離上遠(yuǎn)離地球使得來(lái)自地球電磁波輻射大幅度衰減、空間望遠(yuǎn)鏡在方向指向上背離地球方向時(shí)遮擋來(lái)自地球的干擾實(shí)施低頻觀測(cè)，兩種途徑都將填補(bǔ)低頻射電觀測(cè)的空白，對(duì)來(lái)自宇宙空間背景、銀河系、太陽(yáng)、行星的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，可為探究這些問(wèn)題作出貢獻(xiàn)。

毫米波空間望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行軌道示意圖

嫦娥四號(hào)月球著陸探測(cè)為科學(xué)家提供了在月球背面和月球空間開(kāi)展低頻射電天文研究的絕佳起步機(jī)會(huì)，自2016年至今，國(guó)家天文臺(tái)獲得了嫦娥四號(hào)三個(gè)空間低頻射電天文項(xiàng)目的支持，至今仍在實(shí)施觀測(cè)任務(wù)；2018年國(guó)家天文臺(tái)還獲得了中國(guó)科學(xué)院月球空間低頻射電天文陣列先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)背景型號(hào)項(xiàng)目支持，設(shè)計(jì)并研究了一個(gè)繞月飛行的低頻射電望遠(yuǎn)鏡陣列，完成了任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)研究，研制了部分載荷的原理樣機(jī)。

中方關(guān)于在Millimetron衛(wèi)星上設(shè)置低頻射電天文載荷的提議得到了俄方的支持，并將據(jù)此開(kāi)展星-地低頻VLBI干涉測(cè)量。在輸出空間低頻射電空間天文技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，將學(xué)習(xí)俄方在先進(jìn)空間天文項(xiàng)目科學(xué)目標(biāo)的規(guī)劃實(shí)施、關(guān)鍵技術(shù)及組織管理經(jīng)驗(yàn)，為我國(guó)未來(lái)的空間天文項(xiàng)目提供技術(shù)、科學(xué)、人員儲(chǔ)備。

中俄空間科學(xué)聯(lián)合探索任務(wù)Millimetron項(xiàng)目，將拓展空間VLBI國(guó)際合作，為探索太空絲綢之路向太陽(yáng)系和深空的延伸提供可行的參考模式。