地上已有“天眼” 为何还要在天上再造一台巡天望远镜?

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  • 2021-04-01 08:38:05

4月1日,有“中国天眼”之称的我国500米口径球面射电望远镜将正式对全球科学界开放。近年来,以“天眼”为代表,我国天文学领域大科学装置创新成果不断:天马望远镜、南极巡天望远镜……这些大国利器为我们探索宇宙奥妙提供了重要支撑。不过,它们有一个共同的局限,就是位于地球大气层之内,观测效果不可避免会受到天气、地表环境等因素的影响。如果能将望远镜架设在太空之中,观测所受限制必然大大减少。

我国载人航天工程总设计师周建平院士近日表示,我国将在空间站建成后发射自己的空间站工程巡天望远镜。作为我国研制的规模最大和科技含量最高的空间望远镜,空间站工程巡天望远镜的部分技术和功能在全世界也处于领先地位。该望远镜如果成功运行,将弥补我国在大型空间望远镜领域的空白。中国人不仅拥有了地面上的“天眼”,还将拥有属于自己的“宇宙之眼”。

和地面望远镜相比,空间望远镜在技术建造上是否更加复杂?有哪些独特的优势和先进设计?近日,记者带着相关问题对中科院空间应用工程与技术中心主任设计师李新峰、中科院紫金山天文台研究员李国亮等专家进行了采访。

“宇宙之眼”的视力有多好

地上已有“天眼”,为何还要在天上再造一台?

也许用北宋诗人王安石的一句诗来回答最合适不过:“不畏浮云遮望眼,自缘身在最高层。”

对望远镜而言,视力是最重要、最基本的性能。除了本身的技术和工艺,望远镜视力的高低也会受到外界环境的干扰。“光线进入大气后会受到大气的吸收、对流层气流干扰等多方面影响,降低了观测的分辨率。虽然技术上采用自适应光学可以进行一定程度弥补,但并不能彻底补偿。”李新峰解释说,“将望远镜送到地球轨道上,能摆脱地球大气层的影响,可实现高空间分辨率和更高灵敏度的观测。”

没有“浮云”的阻碍,空间望远镜可以尽情大展身手。作为空间站工程最重要的空间科学设施,巡天空间望远镜是我国迄今为止规模最大、指标最先进的空间天文望远镜,具有强大的技术性能。为了让“宇宙之眼”看得更清楚、更广阔、更精准,科研人员们在设计上运用了许多前沿理念和技术。从光学系统的复杂程度上来说,空间站巡天望远镜具有大视场、高分辨率的优异性能。这意味着它的视野范围更广、能看到的细节更多。

“宇宙之眼”的视力有多好?与目前世界上最大的空间望远镜——美国的“哈勃”望远镜不同,空间站巡天望远镜在大视场设计基础上,仍具有与哈勃相当的空间分辨能力,但视场面积是哈勃的300多倍。

大视角、高分辨的设计主要为了适应“巡天”观测应用。中科院国家天文台的胡义博士表示,用望远镜进行天文观测有两种模式。一种是对某个或者多个已知目标进行观测。另一种是对天空中的大片区域进行无差别扫描。后一种模式就叫做“巡天”,这种观测能够发现更多的未知天体。

李新峰介绍,为了满足“巡天”观测的更高要求,空间站巡天望远镜采用了两米口径的离轴三反光学系统,可以实现更为均匀、更理想的成像,这将是国际上首个大口径离轴形式空间天文望远镜。此外,该望远镜的工艺也更为精细。“与‘天眼’相比,‘天眼’接收的是波长在毫米到分米的电磁辐射,其镜面的面形精度需要达到毫米或优于毫米的量级。而空间站巡天望远镜接收的是光学频段,每个镜面的面形加工要达到光波波长的几十分之一,也就是几十纳米的要求。”

按现有的初步科学规划,空间站巡天望远镜的服役期预计为10年。10年中,其进行巡天观测主任务的时间约占六成,剩下的时间将穿插安排天体精细研究等观测。因此,巡天空间望远镜配备了对天体进行精细观测的新型后端天文仪器:星冕仪以极高的灵敏度接收太阳系以外的大型行星反射其主恒星的微弱光线,新型积分场光谱仪可以进一步刻画遥远星系的精细结构。

此外,空间站巡天望远镜还拥有从近紫外到近红外波段的多种滤光片。“这意味着我们可以看到天体更多、更准确的颜色信息,形成更加绚丽的天文图片,而天体的颜色可以让天文学家获得关于天体自身性质的宝贵信息。”李国亮告诉记者。

“离家万里”坏了怎么修

远离地球、宇宙辐射、运行10年之久……这些空间望远镜所独有的因素,导致它将面临比地面望远镜更多的外界考验。

最先面临的,是升空时的力学负载。在发射升空时,火箭发动机产生的巨大震动也会传递给望远镜,所以望远镜必须在重量尽可能小的情况下,保证每个部位的设计强度都能经受住火箭的发射震动与分离冲击。

其次是严酷的宇宙环境。没有了大气的保护,空间的辐射对望远镜的表面材料以及内部的电子学元器件都会造成影响,因此望远镜在材料、工艺、器件选用等方面都有更高要求。同时,空间望远镜在轨道上绕地球转动,会不断进入阳照区和地影区,表面温度大幅度变化起伏会影响成像质量,因此望远镜的整体热控必须针对不同部位进行针对性特殊设计。

李新峰举了一个例子:“为了隔离外部大幅热流变化的影响,望远镜在外层选用了航天常用的一种叫‘星衣’的材料。这种材料有隔热效果,能将温度变化范围从两百摄氏度压缩到几十摄氏度。除了对镜面进行精密温控以确保镜面几十纳米的面形精度,还需对内部连接与支撑光学镜面的精密结构进行特殊设计,为了保证光机结构热稳定性,我们还通过热量补偿技术,实现温度的精确控制,减少热胀冷缩幅度。但即便这样仍然不够,国内还研发了特殊的极低热膨胀率复合材料,力争把温度微幅波动对光学像质稳定性的影响降至最低。”

望远镜是精密的光学仪器,在离地球400公里高的轨道上运行,如果出现故障问题或者需要更新换代,该如何处理?难道要派“专机”去修?

记者了解到,以前“哈勃”空间望远镜确实需要发射航天飞机前去维修,但空间站巡天望远镜却不需要。

李新峰表示,空间站巡天望远镜,巧妙地采用了与空间站组合体部分“共轨飞行”的方式,由于在一个轨道上运行,仅需消耗较少的燃料即可实现与空间站组合体部分的对接停靠。“望远镜对于具有工作寿命限制的、可能出现故障的科学仪器与设备进行了可维修设计。如果出了问题或者需要进行燃料补充、设备升级,可在地面指挥中心的引导之下,对接到空间站组合体部分上,而常驻密封舱内的航天员出舱,将故障设备或需要更新的设备进行维修更换。不过,光学仪器与设备要求有较高的位置精度要求,在轨维修具有高精度要求的望远镜国内还是首次,对于身穿宇航服操作灵敏性受到一定限制的航天员是一种挑战,对于参研的设计师们更是一项挑战,需要许多既突破常规思路又安全有效的设计工作。”

在天上怎么“送货”“接单”

巡天这个名字,来源于毛主席的诗句“巡天遥看一千河”。但随着观测时间的推移,巡天空间望远镜所获取的科学观测数据,数量远远不止“一千河”这么多。

李新峰告诉记者,空间巡天天文望远镜具有5个科学仪器,可实现对天体的近紫外、可见、近红外、太赫兹等不同辐射特性的图像或光谱观测,其巡天数据及指定天体的精测数据可在对宇宙学、暗能量、暗物质、黑洞、星系与恒星等科学方向展开深入研究,在其工作的10年间,产生的海量数据几乎可以应用到现代天文学的所有研究方向。

这么多数据,如何传回地面?

这要靠空间站巡天望远镜的小帮手——“天链”卫星。

“‘天链’卫星是定点在地表固定上空的中继卫星,对地面具有很大的覆盖范围,其轨道特性决定了其相对地面是基本静止的,而空间站巡天望远镜在离地400公里高度的轨道上运行,其轨道周期很快,大约1.5小时就能绕地球一圈,相对地表的固定站点单次过境最长也就十几分钟,一天也就五六次,所以望远镜需要定期通过与数据中继卫星‘天链’建立射频连接,将内部存储的观测数据通过中继天线发送给‘天链’卫星,‘天链’卫星再发送到地面站。”李新峰表示。

原则上,巡天空间望远镜是一个自动运行的望远镜,无需督促也会勤勉工作,但地面的管理人员仍然要定时给它“派单”。

李国亮介绍,望远镜由于不是静止的,而是在不断绕地球转动,因此需要不断调整观测角度,合理地制定巡天策略是望远镜成功运行的必要保证。

“巡天策略制定好之后,我们需要每周给它任务清单。它自动执行的观测任务我们一般称为常规观测,另外还有一类叫做机遇观测,比如我们忽然从别的途径得知在某个位置有一个特别重要的天文事件要发生,就可以临时上传指令,让空间站巡天望远镜进行观测。”李国亮表示。

为什么要发展天文大科学装置

基础研究是科技创新的源头。今年的政府工作报告提出,2021年对基础研究要健全稳定支持机制,大幅增加投入。

作为基础科研设施,大科学装置近年来也受到越来越多的重视。各类集先进技术于一身的大科学装置运行以来,帮助我国各领域基础研究取得了许多新突破,特别是一些从0到1的原创突破。

对此,中国科学院国家空间科学中心原主任吴季这样表述:“100多年来诺贝尔物理学奖的成果,大概1950年以前,只有1项来自大科学装置。到1970年以后,就有超过40%来自大科学装置,比如天文望远镜或者科学卫星,等等。到了1990年以后,这一比例高达48%。”

以天文学领域为例,郭守敬天文望远镜、500米口径球面射电望远镜等一批先进的光学设备先后建成,极大增强了我国的创新综合能力。

2019年4月10日,轰动全球的首张黑洞M87影像对外公布,我国的天马望远镜就参与了其中部分协同观测任务。此前,在嫦娥四号探月的过程中,天马望远镜作为主力测站,承担了中继卫星“鹊桥”的天线在轨指向标定工作。

2016年9月25日,500米口径球面射电望远镜(FAST)正式落成启用,目前,该望远镜已经发现了300多颗脉冲星。

除了地面望远镜,目前,中国首台空间站巡天望远镜正在急锣密鼓地研制中。在此之前,我国已经发射了中国第一个天文学卫星“悟空号”、“慧眼”望远镜卫星、“极目”望远镜空间科学卫星用于宇宙观测。

空间望远镜是否可以替代地面望远镜?有关专家表示,二者各有千秋。空间望远镜虽然摆脱了大气的直接影响,但是其口径仅有两米,就集聚光的能力而言,相比地面的更大口径望远镜要弱一些,地面台址较好的望远镜建造与研制成本相对低、地基维护十分方便、后端仪器随时配置灵活,可以面向不同的科学方向灵活开展应用。

实际上,在研制空间站巡天望远镜之前,我国已在不少地方建造了地面巡天望远镜。2012年,中国自主研发的首台南极巡天望远镜在昆仑站完成,其运行由工作人员远程操纵。南极寒冷干燥、晴夜数多、大气湍流小,有着可以媲美太空的观测条件,是地面上最好的天文观测台址之一。2015年,我国在昆仑站安装了第二台南极巡天望远镜。目前,在青海省海西州还有一台大视场巡天望远镜正在建造中,计划于今年年底建成。建成后,WFST将成为北半球具备最高巡天能力的光学时域巡测设备,有望在外太阳系天体搜寻等领域取得突破性原创成果。

大科学装置的建设往往需要特殊材料和新型工艺,而这些材料和工艺多数必须靠自主研发制造。厉害的大科学装置背后,是中国工业制造水平和综合国力的提升。

中国科学院院士崔向群表示,大科学装置,往往瞄准国际最先进水平,对制造工艺有着极严苛的要求,对企业是一个十分难得的提高技术水平的契机。在郭守敬望远镜的建设过程中,国内一些特殊材料生产企业、造船厂、轴承生产企业等都做出了贡献。

同时,大科学装置建设中产生的新技术又会被应用在其他重大工程中,推动经济整体发展。比如,在“天眼”建造中攻克的抗疲劳索网技术就用在了港珠澳大桥建设中。

真正的大国重器,一定要掌握在自己手中。中科院院士王贻芳表示,我们要关注重大科技基础设施在科技发展中的引领作用,要认识到大科学装置是拓展人类感知能力不可逆转的方向。我们的科学研究设备只会规模越来越大,能力越来越强,而不会反过来,谁走得早、走得快,谁就会领先。(雅慧)

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