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太空望远镜 仰望星空的人类之眼

来源:光明网-《光明日报》2023-08-03 09:46

“慧眼”卫星 中国科学院高能所供图

  最近,欧洲空间局欧几里得空间望远镜成功搭乘猎鹰9号火箭发射升空,该望远镜将在天球面积三分之一的范围内观测距离超过100亿光年的数十亿星系,绘制出有史以来最大、最准确的宇宙时空3D地图,以研究宇宙中的暗物质分布和暗能量的性质。目前,太空中活跃着很多空间望远镜,极大地丰富了人类对于宇宙的认知。但它们高昂的造价也总是引发公众的讨论:我们有必要将望远镜送到太空吗?地面望远镜无法执行这些观测任务吗?

  1.去太空,获取地面无法得到的宇宙信息

  地球在大气的保护中,但这对人类而言不可或缺的保护,却给科学观测设置了难题——仅射电(微波)和光学等波段几乎不被或者少量被大气吸收,而其他波段的辐射则会被大气显著吸收,因此只有将望远镜发射到太空中才能进行观测。而即使对于可以在地面观测的波段,比如光学望远镜,发射到太空也可以取得更好的观测效果。

  简单来说,相比于地面望远镜,在太空中的空间望远镜具有多重优势:

  第一,空间观测消除了大气干扰。通常情况下,在地面进行观测时,大气折射会使得星光在观测路径中发生偏折,从而使天体的位置和形状产生扭曲,形成所谓的“大气像差”。同时地面观测还面临由大气湍流、空气污染和气候变化等干扰因素所引起的图像模糊、散射、吸收等问题。空间望远镜位于大气层之外,可以避免这些大气干扰因素,因此能够获得更为清晰和准确的观测数据。

  第二,空间望远镜的观测波段更宽。空间望远镜不受地球大气吸收的影响,可以在更宽的波段开展观测,尤其是能够完整观测红外、紫外以及更高能的X射线和伽马射线波段的辐射。这对于我们从多个波段更全面地理解宇宙信息具有重要意义。

  第三,空间望远镜能进行更高分辨率的观测。理论上讲,地面望远镜的分辨率与其口径成正比。但当望远镜口径达到一定值,大气干扰将显著影响观测。空间望远镜却不受大气湍流、折射以及湿度等因素的影响,避免了图像模糊和失真等问题,同时能获得更加精确和清晰的图像。这种卓越的分辨率使我们能够深入探索宇宙中微小的结构和现象,例如星际物质的分布和行星表面的细节。

  第四,空间望远镜具备长时间连续观测能力。除了被地球遮挡或处在南大西洋异常区等恶劣的空间环境外,空间望远镜能够对观测目标源进行长期连续观测。无论是白天还是黑夜,是晴天还是阴天,它不受地球自转和大气条件的干扰,为科学家提供了更长时间的观测窗口,增加了观测效率和科学产出。这有助于捕捉和观测天体的变化和演化过程,例如快速暴发现象、短暂事件以及需要长时间连续监测的目标源等,具有重要的科学意义。通过连续观测,科学家可以更准确和细致地研究这些天体和现象的起因和演变规律,深入理解宇宙的动态过程。

  第五,空间观测能避免人为污染。地球的黑夜越来越亮,电磁信号也越来越多、越来越复杂,而地面仪器观测需要很高的灵敏度,仪器附近一点点影响都会给观测带来巨大影响。比如,在地面光学望远镜附近,必须有一定范围的灯光静默区。地面射电望远镜也是如此,它的附近连微波炉都不能使用,游客参观“天眼”等射电望远镜时是不能携带手机等能发射电磁信号的设备的。空间望远镜可以有效避免由于人类活动引起的光污染以及射频干扰等,从而得到更干净的观测数据。这为研究宇宙中更远的天体现象、更微弱的信号和更细微的结构提供了独一无二的机会。

  空间望远镜是探索宇宙的更深层次、更全面的工具,有助于取得更多重要发现,例如宇宙的加速膨胀、太阳系新行星和卫星的探索、宇宙微波背景的辐射以及暗能量等。

  2.太空中,机遇与挑战并存

  然而,空间望远镜的运行和使用也面临一些难题。

  首先是高昂的成本。空间望远镜的设计、制造、发射和运行都需要巨额资金的投入。设计一个能够在太空极端环境中工作的空间望远镜需要先进的技术和高精度的仪器,从研发到测试以及制造,都要投入巨大成本。此外,为确保望远镜在太空中的可靠性和性能,需要在地面进行许多严苛的力学、热学、真空等试验,这也会产生巨额的资金投入。例如詹姆斯韦伯望远镜的造价就接近百亿美元。此外,将空间望远镜送入太空需要借助火箭,而一次火箭发射所需要的费用可达几百万美元甚至上亿美元。同时,运行和维护空间望远镜也需要大量的资金投入,包括遥测遥控、数据接收、科学运行以及数据的标定与分析等方面的费用。这些高昂的成本使得空间望远镜的规划和执行具有挑战性,需要合理的资金规划以及财务支持,以确保空间望远镜的顺利运行。这也要求科学家、工程师以及相关机构等进行精心的规划和设计来确保空间望远镜项目的成功。

  其次是技术难题。空间望远镜在极端的外太空环境中工作,面临着宇宙射线辐照、巨大的温度变化、微小陨石的撞击以及真空环境等挑战。为了确保望远镜的正常运行和观测精度,需要解决许多技术难题。

  其中之一是精确的定位和稳定的姿态控制。空间望远镜需要精确的位置和稳定的姿态,以确保目标源的可观测性。这包括准确的指向和精确控制,以便消除望远镜自身的震动和漂移,从而获取准确的观测信息。例如,2016年发射的日本卫星“瞳”由于姿态控制出现问题,导致刚发射的卫星在太空中解体报废。因此,精密的姿态控制技术对于空间望远镜的成功运行至关重要。

  另一个挑战是稳定的温度控制。太空里温度变化极大,从极冷的太空温度到强烈的太阳辐射,温差变化可达数百摄氏度。为了保证设备的正常运行,需要采取有效的温度控制措施,例如隔热材料和冷却系统等,以确保设备在不同温度条件下的稳定性和可靠性。

  此外,可靠稳定的通信系统也是一个关键问题。空间望远镜需要与地面系统进行通信,以接收指令、发送观测数据和接收远程控制信号。考虑到太空中复杂的环境和地球大气层的影响,确保通信系统的可靠性和稳定性具有重要意义。

  最后,还可能面临维护和修复难题。空间望远镜远离地面,对设备的维修就变得极具挑战性。虽然地面系统可以通过远程操作解决一些问题,但由于地面系统与望远镜之间的通信延迟、复杂多变的空间环境等因素的影响,维护和修复设备需要非常仔细的计划和精确的指令传输。

  但有些问题仍需要工程师亲自进行修复。航天飞机曾搭载相关人员去修复哈勃望远镜的畸变问题。但随着航天飞机计划的终止,对空间望远镜的修护任务变得愈加困难。未来可能需要依赖机器人技术或其他航天任务来进行维护和修复。

  为了克服这些困难,科学家和工程师们也在不断努力研制更加耐用的设备,以减少对人员干预的需求,提供更长久的观测能力。此外,随着技术的日新月异,未来更先进的机器人技术和自主化系统也可能会出现并被应用到空间望远镜的维护和修复上。

  3.中国造,为人类了解宇宙做出更多贡献

  空间望远镜开创了更宽的观测窗口、拓宽了我们对宇宙的认知、激发了更多的科学问题和研究方向,对于进一步探索宇宙的起源和演化具有不可或缺的作用。在这方面,我国曾经落后于人。但近20年,特别是最近10年,我国积极进行空间探测,取得了值得骄傲的成就。

  “慧眼”硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星是我国第一台空间X射线天文卫星,在2011年正式立项并进入工程研制阶段,于2017年6月15日成功发射,开展科学观测。它既可以实现宽波段(1-250keV)、大视场X射线巡天,又能够研究黑洞、中子星等高能天体的短时标光变和宽波段能谱的空间X射线天文望远镜,同时也是具有高灵敏度的伽马射线暴全天监视仪。

  怀柔一号“极目”(GECAM)卫星是一个机遇型空间科学项目,2018年获得工程立项,A星和B星2020年12月10日发射升空,C星于2022年7月27日搭载空间新技术试验卫星发射入轨。“极目”系列卫星采用了一系列创新的探测技术,并开创性地使用北斗导航系统短报文服务实现星地准实时通信,实现了对空间高能暴发事件的快速发现、下传与对外发布。

  这些空间望远镜的成功发射和运行,使得我国在国际竞争激烈的高能天体物理观测领域占有重要的一席之地。“慧眼”和“极目”对宇宙中的黑洞、中子星、伽马射线暴、磁星暴发、快速射电暴的高能对应体、太阳耀斑以及地球伽马闪等开展了大量的观测,帮助探索其物理机制和起源。特别是,对迄今最亮的伽马暴的瞬时辐射和早期余辉进行的国际最高精度的测量,探测到了国际上第一例和第二例快速射电暴的电磁对应体为磁星,破解了其起源之谜,刷新了直接测量宇宙最强磁场(超16亿特斯拉)的记录、发现迄今为止黑洞中最高能量(200keV以上)的准周期震荡等。

  目前,我国正发起并牵头多个空间望远镜项目,必将为未来的空间观测任务开辟新的前沿,推动我们对宇宙的认识。

  ——中国空间站工程巡天望远镜(CSST)是我国载人空间站旗舰级项目,计划于2024年发射。它是我国迄今为止最大的空间天文基础设备,具有大视场、高像质、宽波段等突出特点,研究涉及宇宙学、星系科学、太阳系科学和系外行星等领域的诸多前沿热点方向和重大科学问题。

  —由欧洲和其他地区的多个研究单位参与的国际旗舰级空间望远镜-增强型X射线时变与偏振空间天文台(eXTP),预计在2028年左右发射。它的核心科学目标可概括为:一奇(黑洞)、二星(中子星和夸克星)、三极端(极端引力、磁场和密度),将研究黑洞、中子星中的新物理过程,包括极端引力条件下的广义相对论、极端密度条件下的量子色动力学和极端磁场条件下的量子电动力学等基本规律。

  ——“全变源追踪猎人星座”计划(CATCH)也是我国发起的空间项目,预计在2030年左右完成部署。它将由百颗微卫星组成智能化X射线观测星座,旨在对全天变源开展多目标、多参量、不间断观测,实现刻画极端宇宙多参量动态全景的核心科学目标。CATCH计划的实施将进一步提升我国在空间天文领域的探测能力,并促进国际合作与交流。

  空间望远镜的发射是为了克服地面观测的限制,提供更清晰、准确和连续的观测数据。它能够消除大气干扰和吸收、观测更深的宇宙和更细微的细节,以及实现连续观测。通过空间望远镜,我们能够深入探索宇宙的起源、演化和结构,研究恒星、行星、星系以及宇宙中的各种现象和过程。空间望远镜的确造价高昂,但它们是仰望星空的人类之眼,其获取的知识、给人类社会带来的福祉,将影响深远。

  (作者:马瑞灿、葛明玉、郑世界,分别系中国科学院高能物理研究所博士、研究员、副研究员,CATCH计划负责人陶炼研究员、GECAM首席科学家熊少林研究员对本文亦有贡献)

[ 责编:焦子原 ]
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