目光敏銳的“宇宙之眼”

〇席金合

2022 年7 月24 日，問天實驗艙從海南文昌凌空而起，與在軌運行的天宮空間站完美對接。隨后，神舟十四號航天員乘組開啟艙門，從核心艙進入實驗艙工作，這預(yù)示著我國空間站有望年底建成。令人欣喜的是，之后我們還將發(fā)射一個用于天文觀測的光學(xué)艙——巡天空間望遠鏡。這是中國最先進、最昂貴的天文學(xué)研究設(shè)備，將于2024 年升空，與空間站在同一軌道上運行。有人形象地描述，“巡天號”如同目光敏銳的“宇宙之眼”，在繞地飛行的同時，對深層空間進行精細掃視，幫助人類獲得對宇宙的嶄新認識。

為何不裝在空間站上

回答這個問題，離不開一段鮮為人知的歷史。我國空間站主體結(jié)構(gòu)最初的設(shè)計方案是：核心艙的一側(cè)是科學(xué)實驗艙，另一側(cè)是巡天空間光學(xué)艙。也就是說，“巡天號”是空間站的一部分，二者一起共體飛行。

后來，考慮到核心艙內(nèi)人員活動、艙段分離或?qū)拥?，可能會給空間站帶來一定震動，對望遠鏡的成像造成不良影響。試想，人想要坐在顛簸的車上照相或精準觀察窗外景物，難度可想而知。還有一個原因就是，空間站照明系統(tǒng)很亮，會嚴重影響望遠鏡的觀測和拍照。這類似于人夜間站在強光燈下，眼睛被照得發(fā)花，難以看清眼前景物。為此，在設(shè)計后期，科研人員就將巡天望遠鏡從空間站艙體上撤了下來，將其作為一個獨立的光學(xué)艙，用火箭送上天，與空間站一起在太空圍繞地球飛行。不過，二者相距很遠，主要是為了防止發(fā)生“追尾”事故。就這樣，設(shè)計方案由原來的“共體飛行”改為“共軌飛行”。

作為一個獨立的航天飛行器，巡天光學(xué)艙在飛行過程中，能自主控制方向及調(diào)整飛行姿態(tài)。更重要的是，它能主動與天宮空間站對接，并將其作為太空“基地”，通過在軌宇航員操作幫助，完成燃料補給、設(shè)備更換升級和有關(guān)維護維修等任務(wù)，從而保證自身的使用壽命。

對此，有人風趣地說：“‘巡天號’雖然只身單影行動，自己照顧自己，但它并不是孤苦伶仃的孩子，不但有‘家’可回，還有‘父母’特別照料?！庇纱丝梢?，這種不錯的待遇，有利于它在天上長期、可靠地工作。

與哈勃望遠鏡有一拼

1990 年，美國成功發(fā)射哈勃空間望遠鏡，盡管在2018 年因故障而暫停運行，但在近30 年內(nèi)，它一直是世界上最大、最先進的太空望遠鏡。不過，它這個天文界的霸主地位，很快將會被中國人的“巡天號”取代。

據(jù)資料顯示，巡天光學(xué)艙總重達十幾噸，大小相當于一輛大巴車，望遠鏡口徑2米。無論它的重量還是體積，都超過哈勃望遠鏡。由于配備了一系列先進的輔助探測儀，極大提升了“照相機”的像素，其探測的靈敏度和分辨率均可與哈勃望遠鏡相媲美。“巡天號”的視角是“哈勃”的300 多倍，就像裝上了廣角鏡一樣，探測范圍更廣。

用國家天文臺研究員李然的話說，“巡天號”一次能觀測月球所遮擋的全部天區(qū)，而“哈勃”只能觀測到這片天區(qū)的幾百分之一。這意味著，“哈勃”一年內(nèi)所獲取的圖像資料，“巡天號”一天就能搞定。如果它在軌工作十年，可完成對40%以上天區(qū)的觀測?！把蔡焯枴边€配有特殊的成像儀、光譜儀等一系列精密測量儀器，它們將發(fā)揮各自的特點和優(yōu)勢，以精確的數(shù)據(jù)配合望遠鏡對天體結(jié)構(gòu)和物質(zhì)成分進行探察。

生活經(jīng)驗告訴我們，看近處的樓房雖然真切，但看到的數(shù)量有限；遠處大片樓房雖然都能盡收眼底，但很難看清。而巡天望遠鏡正好能解決這個矛盾。它拍出的相片既能顯示很多星系，圖像質(zhì)量又很高，因此能幫我們獲得更多更好的探測成果。

“巡天號”還能對地面進行觀測，效果與美國的“鎖眼”偵察衛(wèi)星相當。這樣的設(shè)計為世界首創(chuàng)，打破了西方“天地觀測不可兼得”的定論。此外，哈勃望遠鏡一旦出現(xiàn)問題，人必須從地面飛上天去處置，費事費時；而“巡天號”可以依靠空間站里的人員解決，比較方便。

為何把望遠鏡放到天上

天文望遠鏡都是大家伙，安在地上安全又省事。我國口徑500 米的球面射電望遠鏡——天眼，就安安穩(wěn)穩(wěn)地坐落在貴州黔南山區(qū)的大凹坑中。正常工作以來，它已發(fā)現(xiàn)660 余顆新脈沖星和諸多復(fù)雜的天文現(xiàn)象，至今未發(fā)現(xiàn)它的任何缺點。那么，為何要把巡天望遠鏡放到天上呢？道理其實很簡單，射電望遠鏡靠接收來自宇宙的電磁波工作，受遮蔽物影響不大；而巡天望遠鏡接收的是可見光，受天氣影響很明顯。比如陰雨天它會被云霧遮蔽視線，即使是大晴天，由于空中懸浮著微小塵埃，觀測效果同樣也會受到影響。

有朋友可能認為，把望遠鏡安置在太空，等于把觀測距離拉近了，而且這樣能“站得高，看得遠”吧。其實不然。巡天望遠鏡的離地高度為400 多千米，這相比它與遙遠天體的距離則微乎其微。這樣的情形就像人看遠處時向前伸了一下脖子，幾乎沒有效果。

其實，最重要的原因是大氣擾動。地球表面包裹著100 多千米厚的大氣層，雖然它是透明的，但不停地流動。來自宇宙的光線穿過大氣層時，路徑就會不斷變化。因此，隔著大氣層觀察宇宙，獲得的圖像是抖動的，甚至模糊不清。就如同人站在噴泉邊看水下的彩燈，如果水面輕微波動，則看到的燈光在閃爍；如果水面劇烈波動，則眼前是一片忽隱忽現(xiàn)的光斑，根本看不出是彩燈。我們夜間看到星星在眨眼，也是這個道理。實際上，絕大多數(shù)星體發(fā)光比較穩(wěn)定，不是一明一暗的，只因大氣擾動才造成觀察錯覺。所以，把望遠鏡安放在大氣層外的太空，就能避免這種情況。

早在1946 年，美國天文學(xué)家萊曼·斯皮策就大膽地提出，把望遠鏡放到繞地軌道上去，但當時的航天技術(shù)達不到這個水平。后來，隨著人造衛(wèi)星多次發(fā)射，美國才終于把哈勃望遠鏡送上天。可是，哈勃望遠鏡最初發(fā)回的太空圖片很模糊。原來，它的鏡面在磨制時出現(xiàn)了誤差。于是，航天員不得不飛上天，經(jīng)過600 個小時的太空作業(yè)，給它安裝了改正鏡。這相當于有人視力不好，戴上眼鏡就能看清了。之后，哈勃望遠鏡傳回的圖像，比在地面觀測清晰很多倍。

能給人類帶來什么

哈勃望遠鏡的工作成果頗豐：精確測出哈勃常數(shù)，結(jié)束了長久以來的宇宙年齡之爭；進一步證實了星系中心存在超級黑洞，并幫助人們探索星系和黑洞之間的聯(lián)系；觀測出氣態(tài)行星的極光、火星的天氣系統(tǒng)、冥王星和矮行星的衛(wèi)星等，為探索太陽系的演化提供了證據(jù)；其超強的深空觀測能力，讓人類看到了最遙遠的宇宙切片。

如果說“哈勃”以高清晰的圖像掀開了宇宙一角，那么“巡天號”將全景式揭開宇宙奧秘。過去所有精測望遠鏡都只能同時觀測一兩個星系，而巡天望遠鏡可觀測成百上千個，使那些稀奇古怪的天體現(xiàn)出真容。星體碰撞、恒星爆發(fā)、星系劇烈活動等大量天文現(xiàn)象，都將會真切地展現(xiàn)出來。

以往，一些超大星系或者由無數(shù)個星系構(gòu)成的星系團，需要分拍多次再拼接照片，才能獲得一個完整圖像。而借助巡天空間望遠鏡，可一次拍攝而成。

巡天望遠鏡最重要的任務(wù)，是觀測宇宙中看不見的東西，即總量是全部星球5倍以上的暗物質(zhì)。暗物質(zhì)雖然人眼和儀器無法感知，但作用卻很重要，它以強大的引力維系著星系，使其有條不紊地運行。

根據(jù)愛因斯坦的相對論，光線從天體旁邊經(jīng)過，會受到吸引而發(fā)生彎曲。星系發(fā)出的光線向我們射來，也會被宇宙某區(qū)域的暗物質(zhì)吸引而發(fā)生彎曲。這樣一來，觀測到的天體就像透過圓形魚缸看到的東西，會出現(xiàn)失真。因此，根據(jù)大量探測到的遙遠星系形態(tài)，可推知暗物質(zhì)的存在。由于巡天空間望遠鏡的成像非常清晰，分析它提供的海量星系照片，可繪制出170 億光年范圍內(nèi)的暗物質(zhì)分布圖。

由于光速有限，我們看到的遙遠天體，實際上是早期的樣貌。據(jù)此，分析比較巡天望遠鏡同期對遠近同類天體拍攝的照片，或者是不同時期對同一天區(qū)拍攝的照片，可推知宇宙結(jié)構(gòu)演化。此外，巡天望遠鏡提供的海量星系亮度分布和位置分布信息中，也包含著宇宙結(jié)構(gòu)演化情況。對此，綜合運用多種分析手段，可推知宇宙過去的膨脹歷史。

研發(fā)空間望遠鏡是攻占現(xiàn)代天文學(xué)領(lǐng)域的新高地，曾一度出現(xiàn)激烈競爭，如今的形勢發(fā)生了實質(zhì)性反轉(zhuǎn)。當初，西方航天強國拒絕中國參與，并對我們進行技術(shù)封鎖?，F(xiàn)在他們卻請求與我們合作。但我們現(xiàn)在不需要外界力量介入。可以預(yù)見，由中國航天工程團隊打造的空間望遠鏡，將為我國天文學(xué)科研水平領(lǐng)先國際水平提供良好機遇。毫不夸張地說，巡天空間望遠鏡將把視野延伸到九天之外更深遠的地方，為人類揭開更多的宇宙奧秘，提供整個太空的全景式高清晰圖像。屆時，普通民眾也能在互聯(lián)網(wǎng)上看到這個“宇宙之眼”發(fā)回的美麗圖片，直觀感受星海的浩瀚和黑洞的神奇。