陈蓝:太空望远镜——韦伯华丽启程,中国加入第一梯队

今天,在经历十四年的不断延迟后,耗资100亿美元、有“鸽王”之称的詹姆士·韦伯太空望远镜终于成功发射升空。接下来,它将执行一系列高难度动作,展开天线、电池板、五层遮光罩、折叠式主镜和副镜。如果一切顺利,它将在30天后抵达150万公里外的目的地——日地第二拉格朗日点(以下简称日地L2点),然后开始在轨测试。明年六月,它才会正式工作。

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图1:阿里安5型火箭发射韦伯太空望远镜(credit:NASA)

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图2:发射前的韦伯太空望远镜(credit:NASA)

韦伯太空望远镜有望成为天文史上一个新的里程碑。它6.5米口径的巨大主镜将用来收集来自最遥远宇宙的红外光线,拍摄令人震撼的深空照片,为我们解答宇宙起源、暗物质和暗能量的秘密。

毫无疑问,它是卓越的技术成就,也是1990年哈勃太空望远镜发射以来最受关注的太空望远镜。它不仅是口径最大的太空望远镜,也将成为有史以来看得最远的望远镜——能看到136亿光年外、诞生仅2亿年的早期宇宙景象。

它极高精度的大口径折叠式铍制镀金主镜、网球场大小但单层厚度仅为0.025-0.05毫米的五层展开式遮光罩、保证主镜和红外仪器在零下220度工作的深度制冷系统和工作温差达450度的温控系统,在历史上都没有先例可循。它也将是人类发射到月球轨道以外最重的航天器(6.5吨)。它的延迟和这些巨大的技术挑战不无关系。媒体对此已经有大量报道,这里就不展开了。

我们不妨趁这个机会回顾一下太空望远镜的历史,然后遥想一下未来。对大家都关心的我国太空望远镜的状况,我也会做一番比较和展望。

将天文望远镜发射到没有大气干扰的太空中,最早是美国天文学家斯皮策于1946年提出的想法。但直到1968年12月,第一架真正意义上的光学太空望远镜“轨道天文台二号”(本文所述“光学太空望远镜”仅包括紫外、可见、红外光波段。伽马和X射线望远镜的结构和成像方式差异较大,缺乏可比性)才成功升空。

轨道天文台二号由NASA研制,主镜是一台采用斯瓦西成像系统的30.5厘米口径紫外波段望远镜。在四年多的工作期间(至1973年1月),它拍摄了大概1200个目标的紫外照片,包括行星、彗星、恒星、星团和星系等。它也采用了当时最先进的无线图像传输技术。它的多个后续任务都很成功,促使了哈勃望远镜的立项。

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图3:轨道天文台二号(credit:NASA)

无独有偶,苏联的第一架太空望远镜也是紫外波段的。“猎户座一号”望远镜安装在世界第一个空间站“礼炮一号”上发射升空。它的口径为28厘米,使用16毫米感光胶卷。礼炮一号仅有联盟11号机组在上面驻留了22天。由于联盟11号返回时的悲剧性事故(三名宇航员因飞船失压身亡),猎户座一号也随礼炮一号使命的结束而终结。

上世纪七八十年代,美、欧、俄发射了不少太空望远镜,覆盖红外、可见光、紫外、X和伽马等波段,但口径都不大(不超过一米),也没有特别瞩目的成就,因此不太为公众所知。

1990年,随着哈勃太空望远镜的发射,NASA开始执行四个“大天文台”计划(另三个是康普顿伽马射线望远镜、钱德拉X射线望远镜、斯皮策红外望远镜),太空望远镜一下子变得家喻户晓。

最后是哈勃出尽风头,而其他三架望远镜一直默默无闻。这不是没有道理的,因为哈勃是当时口径最大的太空望远镜(口径2.4米,将当时太空望远镜口径纪录翻了几倍),还可以由航天飞机在轨维护。从第一次镜片缺陷的修复开始,每次航天飞机执行哈勃维修任务都会成为新闻热点。当然,超记录的投资(发射时21亿美元,后续100亿美元以上)和研制时间(12年),以及超长的寿命(31年)也是它成名的资本。

哈勃没有让人失望。三十多年来,它的观察对象囊括了家门口的太阳系天体直至130多亿光年外最遥远的星系。它的研究成果几乎改写了整个天文学。对公众来说,它让我们认识了“创生之柱”和“上帝之眼”等神秘而瑰丽的深空星云,更不用说极其震撼的哈勃超深场和极深场。它是当之无愧有史以来最成功的天文项目。它至今还在工作,辉煌还在继续。

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图4:哈勃拍摄的创生之柱(M16鹰状星云的一部分)(credit:NASA/ESA)

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图5:哈勃极深场(这张跨越10年拍摄、累计曝光时间达50天的照片显示了在2.2角分见方的视场中7000多个130多亿光年外的星系)(credit:NASA/ESA)

除了四大天文台计划,从上世纪1990年代至今,美国和欧洲还发射了四架口径一米以上的太空望远镜。其中欧洲航天局和NASA联合研制的赫歇尔红外望远镜口径达到了3.5米,超出哈勃却知名度不高。由于航天飞机的退役,这些望远镜都不具备在轨维护能力,寿命大大缩短。一旦发生故障就寿终正寝。韦伯也不例外。

下表是有史以来口径超一米、已经入轨(5台)和正在研制(4台)的太空望远镜指标比较。可见哈勃依然是角分辨率鹤立鸡群的深空利器。但进入中红外波段,它就只能抓瞎了。新研制望远镜的方向已经转向红外波段、大视场巡天和地外行星搜索。

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韦伯就是一台深入中红外波段的深空望远镜。由于宇宙膨胀带来的红移现象,很多遥远的深空天体发出的光线已经移到了红外波段。红外能捕捉到更多更遥远的天体。再加上日地L2点的优越环境,我们期望它能带来更为震撼的极深场照片,进一步揭示宇宙起源的秘密。

那么韦伯之后,美欧和其他国家还有哪些大型太空望远镜计划?它们和前辈们相比有哪些进步?

美国正在研制的南希·罗曼望远镜是一台和哈勃同样口径、和韦伯同样工作在红外波段的太空望远镜。它的镜筒来自军方赠送,是冷战后多余的“锁眼”间谍卫星镜头。和哈勃不一样的是,它是一台大视场巡天望远镜。通俗地说,巡天望远镜是广角镜头,而哈勃和韦伯这类深空望远镜就是长焦镜头。巡天就是对天空进行大面积全覆盖的拍摄。一旦罗曼发现有意思的目标,就交给韦伯对准它进行更高分辨率的重点观察。

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图6:罗曼太空望远镜

欧洲航天局也在研制一台红外巡天太空望远镜,名为欧几里得。但它的口径只有1.2米,总体指标也不如罗曼,又和罗曼同时运行在日地L2轨道,所以只能看作罗曼的补充。

至于其他国家,去年有个消息,日本和欧洲合作研制的SPICA(可译为角宿一或斯皮卡)红外望远镜(又是红外!)被正式取消。SPICA一开始雄心勃勃,口径3.5米,后来缩到1.8米,但还是没逃脱被抛弃的命运。日本的第一架大太空望远镜又回退成了“梦想”。

俄罗斯倒是正在(永远进行时)研制一台1.7米口径的紫外望远镜Spektr-UV(又称WSO-UV世界紫外天文台,我国也参与了,谈过用长三乙发射)。但在苏联时代就计划的这台望远镜是个不知名鸽王,本应该在2008年左右发射的,现在推到了2025年。熟悉俄罗斯航天的人都知道,2025可能也不靠谱。

好了,现在来说说中国。

中国其实已经有太空望远镜。2013年,嫦娥三号登月时带去了一台15厘米口径的月基紫外望远镜(很巧,中美苏第一台都是紫外望远镜)。嫦娥三号目前仍有部分载荷在工作,希望这台望远镜依然安好。

今年6月,民营航天公司起源太空发射成功中国第一台近地轨道光学太空望远镜,其口径不详,但估计就十几、二十几厘米。另外,西安光机所正在为中法天文卫星SVOM研制一台40厘米口径的可见光望远镜,将于2023年发射。

这些成绩和美欧几十年来发射的那些大望远镜相比简直微不足道。我国空间科学长期来一直处于低谷状态,可以说是中国航天中最薄弱的一环。上世纪七十年代我国就有天文一号卫星计划,但还没开始就结束了。世纪之交又规划了一米口径空间太阳望远镜,但起起落落最终也没变成事实。

所幸的是,大概十来年前,空间科学先导计划和载人航天工程空间站先后实施,中国终于有了自己的天文卫星——悟空号暗物质探测器和慧眼号硬X射线望远镜,两米口径的空间站共轨巡天光学舱(China Space Station Telescope, CSST)也终于立项启动。

巡天光学舱是中国空间科学的一次巨大飞跃,就像从石器时代一步迈入信息社会,是典型的跨越式发展。它和经过多次升级的哈勃或是罗曼号相比也毫不逊色,应该说各有千秋。它的视场面积大于一平方度,超过罗曼,但角分辨率却和罗曼及韦伯不相上下。它庞大的CCD传感器靶面更是大至“变态”的半米长宽(忘了全画幅吧),像素总数高达31亿(主相机25亿,导星相机6亿)!是太空中碾压般的存在。

虽然它的口径小于哈勃,但由于采用了先进的离轴三反系统,不存在副镜和光阑的遮挡,保证了受光面积,成像质量甚至和哈勃相当。巡天光学舱更是继哈勃后唯二的可维护太空望远镜。它和空间站共轨,可定期维护和升级设备、加注推进剂,从而大大延长寿命。

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图7:巡天光学舱渲染图(credit:CNSA)

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图8:巡天光学舱离轴三反光学设计示意图(credit:科学通报)

巡天光学舱可探测紫外、可见光和近红外波段。但其红外波段较窄,红外探测能力不及罗曼和欧几里得,更不用说韦伯。它所在的近地轨道对观察时间和观察条件也会产生一定影响。但巡天光学舱的高分辨率紫外巡天是独一无二的,可见光也非常强。巡天光学舱、罗曼、欧几里得这三台巡天望远镜目标是一致的,将它们结合起来将是多赢的合作。

巡天光学舱面临的挑战还包括地镜配合和数据处理等。它每天将产生1TB的数据。有专家估计,这样体量的数据处理需要一千人的参与。我们的人才缺口还很大。这里斗胆提两个建议:第一,互联网巨头们应充分利用他们的资源,协助开发人工智能数据处理系统。这种对科学事业的支持应该是公益性的。第二,可以发动全国天文爱好者和大中学生参与,用众包模式进行分布式数据处理。这不仅能帮到科学界,也能起到全民科学教育的作用。

中国通过巡天光学舱实现了跨越式发展。那么,再往前看十至二十年,会怎么样呢?

美国刚刚发布了一个十年调研报告,为2030-2040年代的太空望远镜提出了四个方案,其中两个旗舰级望远镜(旗舰级指的是哈勃和韦伯级别)目标都是地外行星。一个方案类似韦伯,但主镜口径加大到最大15米。另一个方案主镜口径4米,但在7万多公里外有一个巨大的52米直径的掩星器,期望通过遮挡恒星的强光来直接观察暗淡的地外行星。

不过,这两个方案基本上都不会实施,因为第一个方案规模大到无法承受,而第二个方案主镜偏小,科学目标过于单一。很大可能它们最终会合并成一个适中的方案。

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图9:美国未来旗舰太空望远镜15米主镜LUVOIR方案(credit:NASA)

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图10:美国未来旗舰太空望远镜4米主镜配合掩星器HabEx方案(credit:NASA)

但是,韦伯的惨痛教训就在眼前。即便是规模较小、镜筒免费的罗曼望远镜,在特朗普任内也由于资金问题差点被枪毙。NASA大项目的虎头蛇尾更是家常便饭(如星座计划)。美国会再次入坑吗?美国国会每年一次的预算会长期支持这样的高风险项目吗?十年后美国的经济和金融优势还会存在吗?这些都是问号。毕竟,2030还有点远。

2030中国会有什么进展?我们还看不太清楚。但可以肯定的是,只要中国经济继续稳步增长,社会稳定,那么包括天文在内的科学事业一定会快速发展,甚至进入爆发期。

通过巡天光学舱的研制,我们已经进入太空望远镜第一梯队。我们也已经掌握很多关键技术。比如,十多年前我们就研制出了长轴6米多、类似韦伯的主动光学拼接主镜(LAMOST,郭守敬望远镜),长春光机所已经磨制出4米直径的高精度非球面碳化硅镜片,对于重型/超重火箭、拉格朗日轨道飞控、高速数传、高精度姿控和指向、大尺寸高灵敏度CCD传感器等技术,我们已经完全掌握或已取得长足进步。

今年五月,媒体透露长光所正在预研十米口径机器人在轨组装太空望远镜,预期2030年左右发射。这将是和美国下一个旗舰望远镜(如果一切顺利的话)旗鼓相当的项目,非常值得期待!

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图11:长光所10米在轨组装太空望远镜(credit:CCTV)

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图12:长光所4米碳化硅主镜

今天韦伯的发射是一个重要的转折点,代表哈勃时代的结束和新时代的到来。未来几十年,中美竞争大概率主导世界格局,太空望远镜也不例外。我希望,这是一种有益人类进步的良性竞争。

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