巡天空间望远镜：将伴“天和”探太空

原标题：巡天空间望远镜：将伴“天和”探太空

　　2020年4月29日上午11时，我们20几个同事聚在一个小型会议室里目不转睛地观看央视转播的中国载人航天工程天和号核心舱的发射，随着倒计时，大家的心情逐渐紧张，看着火箭漂亮升空入轨，大家的心情又转为兴奋。有一个同事小声嘟囔：“可以鼓掌了吧？”顷刻间掌声和欢笑声充满了会议室。

　　天和号核心舱的发射拉开了中国空间站全面建设的序幕，今明两年载人航天工程还将继续实施其他空间站舱段的发射，货运飞船的发射和载人飞船的发射，最终完成空间站的在轨建造。而让我们这些天文学工作者兴奋的原因，还在于中国空间站工程未来的计划中还包含一个重达十几吨的用于最前沿天文学研究的光学舱。这个光学舱里架设着一个口径2米的光学望远镜，并配备了一系列最先进的探测器。这个光学舱将与空间站保持共轨飞行的状态，可以对接到空间站进行维修或更换探测设备。这个光学舱现在一般被称作“巡天空间望远镜”，预计于2024年前后投入科学运行。这将是中国天文学界有史以来获得的最先进也是最昂贵的研究设施，将可能带给人类对于宇宙的崭新认识。

　　为什么要把望远镜放到天上去？来看看哈勃望远镜

　　把望远镜放到天上去的最主要原因，是消除大气对天文观测带来的不利影响。

　　在地面上开展观测的光学望远镜需要透过大气层去观察星空，而大气是在不断运动的，光线在大气中的传播路径不断发生变化，使得地面上看到的星象变得模糊。天文学研究用天体在夜空中延伸的角度来描述天体的大小。如果我们将胳膊伸直，竖起食指，则手指的宽度挡住的视野宽度大约是1度，等于3600角秒。由于大气的存在，即使在地球上最优秀的观测地点，望远镜在光学波段的分辨能力也很难持续超过0.7角秒，而遥远宇宙中大多数星系只有几个角秒的大小，很多遥远的星系在地面望远镜上很难被分辨出任何结构。即使是观察一些近邻星系，地面的望远镜也无法分辨科学家感兴趣的精细结构。如果不能够消除大气的影响，我们就无法精确地研究宇宙天体。

　　早在1946年，莱曼·斯皮策（Lyman Spitzer）就大胆提出了将一个主镜面口径8米的空间望远镜放置在太空中的计划。这在当时是极为大胆也极为困难的计划，因为当时地面上最大的望远镜Hale望远镜也只有5米口径，更大的问题是人类当时还没有具备能够将任何一个物体发射到地球轨道的能力。

　　但这个想法经过不断演化，最终成为美国宇航局的哈勃望远镜计划。哈勃望远镜的计划一波三折，先是大幅的预算超支使得其差点夭折，而挑战者号航天飞机的失事又使得它的发射推迟。而当哈勃望远镜升入太空后，科学家却惊奇地发现望远镜并没有像想象中那样传回地球清晰的天文图像。经过一番检验，人们才发现原来是哈勃望远镜的主镜研磨出现了微小的误差，使得光学系统成像质量变差。为了解决这个问题，哈勃望远镜不得不在太空展开维修，加装改正镜。

　　即使经过了如此多的波折，当哈勃望远镜传回第一幅修正后的图像的时候，科学家还是被其精美的细节所折服。很多在地面上看起来模糊一团的天体结构，在哈勃望远镜的观测中立刻显现出清晰的结构。哈勃望远镜产生了众多重要的科学成果，包括：在10%的精度上精确测量哈勃常数，结束了长久以来的宇宙年龄之争；进一步证实了星系中心超大质量黑洞的存在，并帮助人们探索星系和超大质量黑洞之间的联系；帮助人们探索太阳系的演化，其观测展示了大型气态行星的极光，火星的天气系统，冥王星的新卫星，以及矮行星卫星的存在，其超深场观测显示了人类所能看到的最遥远的宇宙切片等。

　　除了科学贡献之外，哈勃望远镜用精美的图片彻底改变了天文学科普的面貌，帮助普通人更加深刻地理解空间探索的重要性。

　　能否超越哈勃望远镜？中国巡天空间望远镜是这样设计的

　　哈勃望远镜在轨运行已经超过30年，取得了丰硕的科研成果。在这个时候我们再次发射一个光学空间望远镜，采取怎样的设计才能够超越哈勃望远镜，更进一步拓展人类认识的边界呢？

　　这可以有两种思路，一种思路是建造更大口径的望远镜，这样可以看得更深，获得更暗弱天体的信息，美国将在今年发射的6.5米口径的詹姆斯韦伯太空望远镜就采取了这一思路。另一种思路是建造可以观察更广阔天区的望远镜，以更高的效率，更系统地去研究宇宙。进行后一种工作的望远镜一般被称作巡天式望远镜。