“慧眼”衛(wèi)星 中國(guó)科學(xué)院高能所供圖

　　光明圖片/視覺(jué)中國(guó)

　　光明圖片/視覺(jué)中國(guó)

　　最近，歐洲空間局歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡成功搭乘獵鷹9號(hào)火箭發(fā)射升空，該望遠(yuǎn)鏡將在天球面積三分之一的范圍內(nèi)觀測(cè)距離超過(guò)100億光年的數(shù)十億星系，繪制出有史以來(lái)最大、最準(zhǔn)確的宇宙時(shí)空3D地圖，以研究宇宙中的暗物質(zhì)分布和暗能量的性質(zhì)。目前，太空中活躍著很多空間望遠(yuǎn)鏡，極大地豐富了人類對(duì)于宇宙的認(rèn)知。但它們高昂的造價(jià)也總是引發(fā)公眾的討論：我們有必要將望遠(yuǎn)鏡送到太空嗎？地面望遠(yuǎn)鏡無(wú)法執(zhí)行這些觀測(cè)任務(wù)嗎？

　　1.去太空，獲取地面無(wú)法得到的宇宙信息

　　地球在大氣的保護(hù)中，但這對(duì)人類而言不可或缺的保護(hù)，卻給科學(xué)觀測(cè)設(shè)置了難題——僅射電（微波）和光學(xué)等波段幾乎不被或者少量被大氣吸收，而其他波段的輻射則會(huì)被大氣顯著吸收，因此只有將望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到太空中才能進(jìn)行觀測(cè)。而即使對(duì)于可以在地面觀測(cè)的波段，比如光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，發(fā)射到太空也可以取得更好的觀測(cè)效果。

　　簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，相比于地面望遠(yuǎn)鏡，在太空中的空間望遠(yuǎn)鏡具有多重優(yōu)勢(shì)：

　　第一，空間觀測(cè)消除了大氣干擾。通常情況下，在地面進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，大氣折射會(huì)使得星光在觀測(cè)路徑中發(fā)生偏折，從而使天體的位置和形狀產(chǎn)生扭曲，形成所謂的“大氣像差”。同時(shí)地面觀測(cè)還面臨由大氣湍流、空氣污染和氣候變化等干擾因素所引起的圖像模糊、散射、吸收等問(wèn)題?？臻g望遠(yuǎn)鏡位于大氣層之外，可以避免這些大氣干擾因素，因此能夠獲得更為清晰和準(zhǔn)確的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

　　第二，空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)波段更寬?？臻g望遠(yuǎn)鏡不受地球大氣吸收的影響，可以在更寬的波段開(kāi)展觀測(cè)，尤其是能夠完整觀測(cè)紅外、紫外以及更高能的X射線和伽馬射線波段的輻射。這對(duì)于我們從多個(gè)波段更全面地理解宇宙信息具有重要意義。

　　第三，空間望遠(yuǎn)鏡能進(jìn)行更高分辨率的觀測(cè)。理論上講，地面望遠(yuǎn)鏡的分辨率與其口徑成正比。但當(dāng)望遠(yuǎn)鏡口徑達(dá)到一定值，大氣干擾將顯著影響觀測(cè)。空間望遠(yuǎn)鏡卻不受大氣湍流、折射以及濕度等因素的影響，避免了圖像模糊和失真等問(wèn)題，同時(shí)能獲得更加精確和清晰的圖像。這種卓越的分辨率使我們能夠深入探索宇宙中微小的結(jié)構(gòu)和現(xiàn)象，例如星際物質(zhì)的分布和行星表面的細(xì)節(jié)。

　　第四，空間望遠(yuǎn)鏡具備長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)能力。除了被地球遮擋或處在南大西洋異常區(qū)等惡劣的空間環(huán)境外，空間望遠(yuǎn)鏡能夠?qū)τ^測(cè)目標(biāo)源進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)。無(wú)論是白天還是黑夜，是晴天還是陰天，它不受地球自轉(zhuǎn)和大氣條件的干擾，為科學(xué)家提供了更長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)窗口，增加了觀測(cè)效率和科學(xué)產(chǎn)出。這有助于捕捉和觀測(cè)天體的變化和演化過(guò)程，例如快速暴發(fā)現(xiàn)象、短暫事件以及需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)的目標(biāo)源等，具有重要的科學(xué)意義。通過(guò)連續(xù)觀測(cè)，科學(xué)家可以更準(zhǔn)確和細(xì)致地研究這些天體和現(xiàn)象的起因和演變規(guī)律，深入理解宇宙的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

　　第五，空間觀測(cè)能避免人為污染。地球的黑夜越來(lái)越亮，電磁信號(hào)也越來(lái)越多、越來(lái)越復(fù)雜，而地面儀器觀測(cè)需要很高的靈敏度，儀器附近一點(diǎn)點(diǎn)影響都會(huì)給觀測(cè)帶來(lái)巨大影響。比如，在地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡附近，必須有一定范圍的燈光靜默區(qū)。地面射電望遠(yuǎn)鏡也是如此，它的附近連微波爐都不能使用，游客參觀“天眼”等射電望遠(yuǎn)鏡時(shí)是不能攜帶手機(jī)等能發(fā)射電磁信號(hào)的設(shè)備的?？臻g望遠(yuǎn)鏡可以有效避免由于人類活動(dòng)引起的光污染以及射頻干擾等，從而得到更干凈的觀測(cè)數(shù)據(jù)。這為研究宇宙中更遠(yuǎn)的天體現(xiàn)象、更微弱的信號(hào)和更細(xì)微的結(jié)構(gòu)提供了獨(dú)一無(wú)二的機(jī)會(huì)。

　　空間望遠(yuǎn)鏡是探索宇宙的更深層次、更全面的工具，有助于取得更多重要發(fā)現(xiàn)，例如宇宙的加速膨脹、太陽(yáng)系新行星和衛(wèi)星的探索、宇宙微波背景的輻射以及暗能量等。

　　2.太空中，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存

　　然而，空間望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)行和使用也面臨一些難題。

　　首先是高昂的成本。空間望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)、制造、發(fā)射和運(yùn)行都需要巨額資金的投入。設(shè)計(jì)一個(gè)能夠在太空極端環(huán)境中工作的空間望遠(yuǎn)鏡需要先進(jìn)的技術(shù)和高精度的儀器，從研發(fā)到測(cè)試以及制造，都要投入巨大成本。此外，為確保望遠(yuǎn)鏡在太空中的可靠性和性能，需要在地面進(jìn)行許多嚴(yán)苛的力學(xué)、熱學(xué)、真空等試驗(yàn)，這也會(huì)產(chǎn)生巨額的資金投入。例如詹姆斯韋伯望遠(yuǎn)鏡的造價(jià)就接近百億美元。此外，將空間望遠(yuǎn)鏡送入太空需要借助火箭，而一次火箭發(fā)射所需要的費(fèi)用可達(dá)幾百萬(wàn)美元甚至上億美元。同時(shí)，運(yùn)行和維護(hù)空間望遠(yuǎn)鏡也需要大量的資金投入，包括遙測(cè)遙控、數(shù)據(jù)接收、科學(xué)運(yùn)行以及數(shù)據(jù)的標(biāo)定與分析等方面的費(fèi)用。這些高昂的成本使得空間望遠(yuǎn)鏡的規(guī)劃和執(zhí)行具有挑戰(zhàn)性，需要合理的資金規(guī)劃以及財(cái)務(wù)支持，以確?？臻g望遠(yuǎn)鏡的順利運(yùn)行。這也要求科學(xué)家、工程師以及相關(guān)機(jī)構(gòu)等進(jìn)行精心的規(guī)劃和設(shè)計(jì)來(lái)確保空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的成功。

　　其次是技術(shù)難題。空間望遠(yuǎn)鏡在極端的外太空環(huán)境中工作，面臨著宇宙射線輻照、巨大的溫度變化、微小隕石的撞擊以及真空環(huán)境等挑戰(zhàn)。為了確保望遠(yuǎn)鏡的正常運(yùn)行和觀測(cè)精度，需要解決許多技術(shù)難題。

　　其中之一是精確的定位和穩(wěn)定的姿態(tài)控制?？臻g望遠(yuǎn)鏡需要精確的位置和穩(wěn)定的姿態(tài)，以確保目標(biāo)源的可觀測(cè)性。這包括準(zhǔn)確的指向和精確控制，以便消除望遠(yuǎn)鏡自身的震動(dòng)和漂移，從而獲取準(zhǔn)確的觀測(cè)信息。例如，2016年發(fā)射的日本衛(wèi)星“瞳”由于姿態(tài)控制出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致剛發(fā)射的衛(wèi)星在太空中解體報(bào)廢。因此，精密的姿態(tài)控制技術(shù)對(duì)于空間望遠(yuǎn)鏡的成功運(yùn)行至關(guān)重要。

　　另一個(gè)挑戰(zhàn)是穩(wěn)定的溫度控制。太空里溫度變化極大，從極冷的太空溫度到強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射，溫差變化可達(dá)數(shù)百攝氏度。為了保證設(shè)備的正常運(yùn)行，需要采取有效的溫度控制措施，例如隔熱材料和冷卻系統(tǒng)等，以確保設(shè)備在不同溫度條件下的穩(wěn)定性和可靠性。

　　此外，可靠穩(wěn)定的通信系統(tǒng)也是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題?？臻g望遠(yuǎn)鏡需要與地面系統(tǒng)進(jìn)行通信，以接收指令、發(fā)送觀測(cè)數(shù)據(jù)和接收遠(yuǎn)程控制信號(hào)。考慮到太空中復(fù)雜的環(huán)境和地球大氣層的影響，確保通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性具有重要意義。

　　最后，還可能面臨維護(hù)和修復(fù)難題?？臻g望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)離地面，對(duì)設(shè)備的維修就變得極具挑戰(zhàn)性。雖然地面系統(tǒng)可以通過(guò)遠(yuǎn)程操作解決一些問(wèn)題，但由于地面系統(tǒng)與望遠(yuǎn)鏡之間的通信延遲、復(fù)雜多變的空間環(huán)境等因素的影響，維護(hù)和修復(fù)設(shè)備需要非常仔細(xì)的計(jì)劃和精確的指令傳輸。

　　但有些問(wèn)題仍需要工程師親自進(jìn)行修復(fù)。航天飛機(jī)曾搭載相關(guān)人員去修復(fù)哈勃望遠(yuǎn)鏡的畸變問(wèn)題。但隨著航天飛機(jī)計(jì)劃的終止，對(duì)空間望遠(yuǎn)鏡的修護(hù)任務(wù)變得愈加困難。未來(lái)可能需要依賴機(jī)器人技術(shù)或其他航天任務(wù)來(lái)進(jìn)行維護(hù)和修復(fù)。

　　為了克服這些困難，科學(xué)家和工程師們也在不斷努力研制更加耐用的設(shè)備，以減少對(duì)人員干預(yù)的需求，提供更長(zhǎng)久的觀測(cè)能力。此外，隨著技術(shù)的日新月異，未來(lái)更先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)和自主化系統(tǒng)也可能會(huì)出現(xiàn)并被應(yīng)用到空間望遠(yuǎn)鏡的維護(hù)和修復(fù)上。

　　3.中國(guó)造，為人類了解宇宙做出更多貢獻(xiàn)

　　空間望遠(yuǎn)鏡開(kāi)創(chuàng)了更寬的觀測(cè)窗口、拓寬了我們對(duì)宇宙的認(rèn)知、激發(fā)了更多的科學(xué)問(wèn)題和研究方向，對(duì)于進(jìn)一步探索宇宙的起源和演化具有不可或缺的作用。在這方面，我國(guó)曾經(jīng)落后于人。但近20年，特別是最近10年，我國(guó)積極進(jìn)行空間探測(cè)，取得了值得驕傲的成就。

　　“慧眼”硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡(HXMT)衛(wèi)星是我國(guó)第一臺(tái)空間X射線天文衛(wèi)星，在2011年正式立項(xiàng)并進(jìn)入工程研制階段，于2017年6月15日成功發(fā)射，開(kāi)展科學(xué)觀測(cè)。它既可以實(shí)現(xiàn)寬波段（1-250keV）、大視場(chǎng)X射線巡天，又能夠研究黑洞、中子星等高能天體的短時(shí)標(biāo)光變和寬波段能譜的空間X射線天文望遠(yuǎn)鏡，同時(shí)也是具有高靈敏度的伽馬射線暴全天監(jiān)視儀。

　　懷柔一號(hào)“極目”（GECAM）衛(wèi)星是一個(gè)機(jī)遇型空間科學(xué)項(xiàng)目，2018年獲得工程立項(xiàng)，A星和B星2020年12月10日發(fā)射升空，C星于2022年7月27日搭載空間新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射入軌?！皹O目”系列衛(wèi)星采用了一系列創(chuàng)新的探測(cè)技術(shù)，并開(kāi)創(chuàng)性地使用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)短報(bào)文服務(wù)實(shí)現(xiàn)星地準(zhǔn)實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間高能暴發(fā)事件的快速發(fā)現(xiàn)、下傳與對(duì)外發(fā)布。

　　這些空間望遠(yuǎn)鏡的成功發(fā)射和運(yùn)行，使得我國(guó)在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)激烈的高能天體物理觀測(cè)領(lǐng)域占有重要的一席之地。“慧眼”和“極目”對(duì)宇宙中的黑洞、中子星、伽馬射線暴、磁星暴發(fā)、快速射電暴的高能對(duì)應(yīng)體、太陽(yáng)耀斑以及地球伽馬閃等開(kāi)展了大量的觀測(cè)，幫助探索其物理機(jī)制和起源。特別是，對(duì)迄今最亮的伽馬暴的瞬時(shí)輻射和早期余輝進(jìn)行的國(guó)際最高精度的測(cè)量，探測(cè)到了國(guó)際上第一例和第二例快速射電暴的電磁對(duì)應(yīng)體為磁星,破解了其起源之謎，刷新了直接測(cè)量宇宙最強(qiáng)磁場(chǎng)（超16億特斯拉）的記錄、發(fā)現(xiàn)迄今為止黑洞中最高能量（200keV以上）的準(zhǔn)周期震蕩等。

　　目前，我國(guó)正發(fā)起并牽頭多個(gè)空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目，必將為未來(lái)的空間觀測(cè)任務(wù)開(kāi)辟新的前沿，推動(dòng)我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。

　　——中國(guó)空間站工程巡天望遠(yuǎn)鏡（CSST）是我國(guó)載人空間站旗艦級(jí)項(xiàng)目，計(jì)劃于2024年發(fā)射。它是我國(guó)迄今為止最大的空間天文基礎(chǔ)設(shè)備，具有大視場(chǎng)、高像質(zhì)、寬波段等突出特點(diǎn)，研究涉及宇宙學(xué)、星系科學(xué)、太陽(yáng)系科學(xué)和系外行星等領(lǐng)域的諸多前沿?zé)狳c(diǎn)方向和重大科學(xué)問(wèn)題。

　　—由歐洲和其他地區(qū)的多個(gè)研究單位參與的國(guó)際旗艦級(jí)空間望遠(yuǎn)鏡-增強(qiáng)型X射線時(shí)變與偏振空間天文臺(tái)（eXTP），預(yù)計(jì)在2028年左右發(fā)射。它的核心科學(xué)目標(biāo)可概括為：一奇（黑洞）、二星（中子星和夸克星）、三極端（極端引力、磁場(chǎng)和密度），將研究黑洞、中子星中的新物理過(guò)程，包括極端引力條件下的廣義相對(duì)論、極端密度條件下的量子色動(dòng)力學(xué)和極端磁場(chǎng)條件下的量子電動(dòng)力學(xué)等基本規(guī)律。

　　——“全變?cè)醋粉櫕C人星座”計(jì)劃（CATCH）也是我國(guó)發(fā)起的空間項(xiàng)目，預(yù)計(jì)在2030年左右完成部署。它將由百顆微衛(wèi)星組成智能化X射線觀測(cè)星座，旨在對(duì)全天變?cè)撮_(kāi)展多目標(biāo)、多參量、不間斷觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)刻畫(huà)極端宇宙多參量動(dòng)態(tài)全景的核心科學(xué)目標(biāo)。CATCH計(jì)劃的實(shí)施將進(jìn)一步提升我國(guó)在空間天文領(lǐng)域的探測(cè)能力，并促進(jìn)國(guó)際合作與交流。

　　空間望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射是為了克服地面觀測(cè)的限制，提供更清晰、準(zhǔn)確和連續(xù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。它能夠消除大氣干擾和吸收、觀測(cè)更深的宇宙和更細(xì)微的細(xì)節(jié)，以及實(shí)現(xiàn)連續(xù)觀測(cè)。通過(guò)空間望遠(yuǎn)鏡，我們能夠深入探索宇宙的起源、演化和結(jié)構(gòu)，研究恒星、行星、星系以及宇宙中的各種現(xiàn)象和過(guò)程?？臻g望遠(yuǎn)鏡的確造價(jià)高昂，但它們是仰望星空的人類之眼，其獲取的知識(shí)、給人類社會(huì)帶來(lái)的福祉，將影響深遠(yuǎn)。

　?。ㄗ髡撸厚R瑞燦、葛明玉、鄭世界，分別系中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所博士、研究員、副研究員，CATCH計(jì)劃負(fù)責(zé)人陶煉研究員、GECAM首席科學(xué)家熊少林研究員對(duì)本文亦有貢獻(xiàn)）

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