陳藍：太空望遠鏡——韋伯華麗啓程，中國加入第一梯隊
【文/ 觀察者網專欄作者 陳藍】
今天，在經歷十四年的不斷延遲後，耗資100億美元、有“鴿王”之稱的詹姆士·韋伯太空望遠鏡終於成功發射升空。接下來，它將執行一系列高難度動作，展開天線、電池板、五層遮光罩、摺疊式主鏡和副鏡。如果一切順利，它將在30天后抵達150萬公里外的目的地——日地第二拉格朗日點（以下簡稱日地L2點），然後開始在軌測試。明年六月，它才會正式工作。
圖1：阿里安5型火箭發射韋伯太空望遠鏡（credit：NASA）
圖2：發射前的韋伯太空望遠鏡（credit：NASA）
韋伯太空望遠鏡有望成為天文史上一個新的里程碑。它6.5米口徑的巨大主鏡將用來收集來自最遙遠宇宙的紅外光線，拍攝令人震撼的深空照片，為我們解答宇宙起源、暗物質和暗能量的秘密。
毫無疑問，它是卓越的技術成就，也是1990年哈勃太空望遠鏡發射以來最受關注的太空望遠鏡。它不僅是口徑最大的太空望遠鏡，也將成為有史以來看得最遠的望遠鏡——能看到136億光年外、誕生僅2億年的早期宇宙景象。
它極高精度的大口徑摺疊式鈹制鍍金主鏡、網球場大小但單層厚度僅為0.025-0.05毫米的五層展開式遮光罩、保證主鏡和紅外儀器在零下220度工作的深度製冷系統和工作温差達450度的温控系統，在歷史上都沒有先例可循。它也將是人類發射到月球軌道以外最重的航天器（6.5噸）。它的延遲和這些巨大的技術挑戰不無關係。媒體對此已經有大量報道，這裏就不展開了。
我們不妨趁這個機會回顧一下太空望遠鏡的歷史，然後遙想一下未來。對大家都關心的我國太空望遠鏡的狀況，我也會做一番比較和展望。
將天文望遠鏡發射到沒有大氣干擾的太空中，最早是美國天文學家斯皮策於1946年提出的想法。但直到1968年12月，第一架真正意義上的光學太空望遠鏡“軌道天文台二號”（本文所述“光學太空望遠鏡”僅包括紫外、可見、紅外光波段。伽馬和X射線望遠鏡的結構和成像方式差異較大，缺乏可比性）才成功升空。
軌道天文台二號由NASA研製，主鏡是一台採用斯瓦西成像系統的30.5釐米口徑紫外波段望遠鏡。在四年多的工作期間（至1973年1月），它拍攝了大概1200個目標的紫外照片，包括行星、彗星、恆星、星團和星系等。它也採用了當時最先進的無線圖像傳輸技術。它的多個後續任務都很成功，促使了哈勃望遠鏡的立項。
圖3：軌道天文台二號（credit：NASA）
無獨有偶，蘇聯的第一架太空望遠鏡也是紫外波段的。“獵户座一號”望遠鏡安裝在世界第一個空間站“禮炮一號”上發射升空。它的口徑為28釐米，使用16毫米感光膠捲。禮炮一號僅有聯盟11號機組在上面駐留了22天。由於聯盟11號返回時的悲劇性事故（三名宇航員因飛船失壓身亡），獵户座一號也隨禮炮一號使命的結束而終結。
上世紀七八十年代，美、歐、俄發射了不少太空望遠鏡，覆蓋紅外、可見光、紫外、X和伽馬等波段，但口徑都不大（不超過一米），也沒有特別矚目的成就，因此不太為公眾所知。
1990年，隨着哈勃太空望遠鏡的發射，NASA開始執行四個“大天文台”計劃（另三個是康普頓伽馬射線望遠鏡、錢德拉X射線望遠鏡、斯皮策紅外望遠鏡），太空望遠鏡一下子變得家喻户曉。
最後是哈勃出盡風頭，而其他三架望遠鏡一直默默無聞。這不是沒有道理的，因為哈勃是當時口徑最大的太空望遠鏡（口徑2.4米，將當時太空望遠鏡口徑紀錄翻了幾倍），還可以由航天飛機在軌維護。從第一次鏡片缺陷的修復開始，每次航天飛機執行哈勃維修任務都會成為新聞熱點。當然，超記錄的投資（發射時21億美元，後續100億美元以上）和研製時間（12年），以及超長的壽命（31年）也是它成名的資本。
哈勃沒有讓人失望。三十多年來，它的觀察對象囊括了家門口的太陽系天體直至130多億光年外最遙遠的星系。它的研究成果幾乎改寫了整個天文學。對公眾來説，它讓我們認識了“創生之柱”和“上帝之眼”等神秘而瑰麗的深空星雲，更不用説極其震撼的哈勃超深場和極深場。它是當之無愧有史以來最成功的天文項目。它至今還在工作，輝煌還在繼續。
圖4：哈勃拍攝的創生之柱（M16鷹狀星雲的一部分）（credit：NASA/ESA）
圖5：哈勃極深場（這張跨越10年拍攝、累計曝光時間達50天的照片顯示了在2.2角分見方的視場中7000多個130多億光年外的星系）（credit：NASA/ESA）
除了四大天文台計劃，從上世紀1990年代至今，美國和歐洲還發射了四架口徑一米以上的太空望遠鏡。其中歐洲航天局和NASA聯合研製的赫歇爾紅外望遠鏡口徑達到了3.5米，超出哈勃卻知名度不高。由於航天飛機的退役，這些望遠鏡都不具備在軌維護能力，壽命大大縮短。一旦發生故障就壽終正寢。韋伯也不例外。
下表是有史以來口徑超一米、已經入軌（5台）和正在研製（4台）的太空望遠鏡指標比較。可見哈勃依然是角分辨率鶴立雞羣的深空利器。但進入中紅外波段，它就只能抓瞎了。新研製望遠鏡的方向已經轉向紅外波段、大視場巡天和地外行星搜索。
韋伯就是一台深入中紅外波段的深空望遠鏡。由於宇宙膨脹帶來的紅移現象，很多遙遠的深空天體發出的光線已經移到了紅外波段。紅外能捕捉到更多更遙遠的天體。再加上日地L2點的優越環境，我們期望它能帶來更為震撼的極深場照片，進一步揭示宇宙起源的秘密。
那麼韋伯之後，美歐和其他國家還有哪些大型太空望遠鏡計劃？它們和前輩們相比有哪些進步？
美國正在研製的南希·羅曼望遠鏡是一台和哈勃同樣口徑、和韋伯同樣工作在紅外波段的太空望遠鏡。它的鏡筒來自軍方贈送，是冷戰後多餘的“鎖眼”間諜衞星鏡頭。和哈勃不一樣的是，它是一台大視場巡天望遠鏡。通俗地説，巡天望遠鏡是廣角鏡頭，而哈勃和韋伯這類深空望遠鏡就是長焦鏡頭。巡天就是對天空進行大面積全覆蓋的拍攝。一旦羅曼發現有意思的目標，就交給韋伯對準它進行更高分辨率的重點觀察。
圖6：羅曼太空望遠鏡
歐洲航天局也在研製一台紅外巡天太空望遠鏡，名為歐幾里得。但它的口徑只有1.2米，總體指標也不如羅曼，又和羅曼同時運行在日地L2軌道，所以只能看作羅曼的補充。
至於其他國家，去年有個消息，日本和歐洲合作研製的SPICA（可譯為角宿一或斯皮卡）紅外望遠鏡（又是紅外！）被正式取消。SPICA一開始雄心勃勃，口徑3.5米，後來縮到1.8米，但還是沒逃脱被拋棄的命運。日本的第一架大太空望遠鏡又回退成了“夢想”。
俄羅斯倒是正在（永遠進行時）研製一台1.7米口徑的紫外望遠鏡Spektr-UV（又稱WSO-UV世界紫外天文台，我國也參與了，談過用長三乙發射）。但在蘇聯時代就計劃的這台望遠鏡是個不知名鴿王，本應該在2008年左右發射的，現在推到了2025年。熟悉俄羅斯航天的人都知道，2025可能也不靠譜。
好了，現在來説説中國。
中國其實已經有太空望遠鏡。2013年，嫦娥三號登月時帶去了一台15釐米口徑的月基紫外望遠鏡（很巧，中美蘇第一台都是紫外望遠鏡）。嫦娥三號目前仍有部分載荷在工作，希望這台望遠鏡依然安好。
今年6月，民營航天公司起源太空發射成功中國第一台近地軌道光學太空望遠鏡，其口徑不詳，但估計就十幾、二十幾釐米。另外，西安光機所正在為中法天文衞星SVOM研製一台40釐米口徑的可見光望遠鏡，將於2023年發射。
這些成績和美歐幾十年來發射的那些大望遠鏡相比簡直微不足道。我國空間科學長期來一直處於低谷狀態，可以説是中國航天中最薄弱的一環。上世紀七十年代我國就有天文一號衞星計劃，但還沒開始就結束了。世紀之交又規劃了一米口徑空間太陽望遠鏡，但起起落落最終也沒變成事實。
所幸的是，大概十來年前，空間科學先導計劃和載人航天工程空間站先後實施，中國終於有了自己的天文衞星——悟空號暗物質探測器和慧眼號硬X射線望遠鏡，兩米口徑的空間站共軌巡天光學艙（China Space Station Telescope, CSST）也終於立項啓動。
巡天光學艙是中國空間科學的一次巨大飛躍，就像從石器時代一步邁入信息社會，是典型的跨越式發展。它和經過多次升級的哈勃或是羅曼號相比也毫不遜色，應該説各有千秋。它的視場面積大於一平方度，超過羅曼，但角分辨率卻和羅曼及韋伯不相上下。它龐大的CCD傳感器靶面更是大至“變態”的半米長寬（忘了全畫幅吧），像素總數高達31億（主相機25億，導星相機6億）！是太空中碾壓般的存在。
雖然它的口徑小於哈勃，但由於採用了先進的離軸三反系統，不存在副鏡和光闌的遮擋，保證了受光面積，成像質量甚至和哈勃相當。巡天光學艙更是繼哈勃後唯二的可維護太空望遠鏡。它和空間站共軌，可定期維護和升級設備、加註推進劑，從而大大延長壽命。
圖7：巡天光學艙渲染圖（credit：CNSA）
圖8：巡天光學艙離軸三反光學設計示意圖（credit：科學通報）
巡天光學艙可探測紫外、可見光和近紅外波段。但其紅外波段較窄，紅外探測能力不及羅曼和歐幾里得，更不用説韋伯。它所在的近地軌道對觀察時間和觀察條件也會產生一定影響。但巡天光學艙的高分辨率紫外巡天是獨一無二的，可見光也非常強。巡天光學艙、羅曼、歐幾里得這三台巡天望遠鏡目標是一致的，將它們結合起來將是多贏的合作。
巡天光學艙面臨的挑戰還包括地鏡配合和數據處理等。它每天將產生1TB的數據。有專家估計，這樣體量的數據處理需要一千人的參與。我們的人才缺口還很大。這裏斗膽提兩個建議：第一，互聯網巨頭們應充分利用他們的資源，協助開發人工智能數據處理系統。這種對科學事業的支持應該是公益性的。第二，可以發動全國天文愛好者和大中學生參與，用眾包模式進行分佈式數據處理。這不僅能幫到科學界，也能起到全民科學教育的作用。
中國通過巡天光學艙實現了跨越式發展。那麼，再往前看十至二十年，會怎麼樣呢？
美國剛剛發佈了一個十年調研報告，為2030-2040年代的太空望遠鏡提出了四個方案，其中兩個旗艦級望遠鏡（旗艦級指的是哈勃和韋伯級別）目標都是地外行星。一個方案類似韋伯，但主鏡口徑加大到最大15米。另一個方案主鏡口徑4米，但在7萬多公里外有一個巨大的52米直徑的掩星器，期望通過遮擋恆星的強光來直接觀察暗淡的地外行星。
不過，這兩個方案基本上都不會實施，因為第一個方案規模大到無法承受，而第二個方案主鏡偏小，科學目標過於單一。很大可能它們最終會合併成一個適中的方案。
圖9：美國未來旗艦太空望遠鏡15米主鏡LUVOIR方案（credit：NASA）
圖10：美國未來旗艦太空望遠鏡4米主鏡配合掩星器HabEx方案（credit：NASA）
但是，韋伯的慘痛教訓就在眼前。即便是規模較小、鏡筒免費的羅曼望遠鏡，在特朗普任內也由於資金問題差點被槍斃。NASA大項目的虎頭蛇尾更是家常便飯（如星座計劃）。美國會再次入坑嗎？美國國會每年一次的預算會長期支持這樣的高風險項目嗎？十年後美國的經濟和金融優勢還會存在嗎？這些都是問號。畢竟，2030還有點遠。
2030中國會有什麼進展？我們還看不太清楚。但可以肯定的是，只要中國經濟繼續穩步增長，社會穩定，那麼包括天文在內的科學事業一定會快速發展，甚至進入爆發期。
通過巡天光學艙的研製，我們已經進入太空望遠鏡第一梯隊。我們也已經掌握很多關鍵技術。比如，十多年前我們就研製出了長軸6米多、類似韋伯的主動光學拼接主鏡（LAMOST，郭守敬望遠鏡），長春光機所已經磨製出4米直徑的高精度非球面碳化硅鏡片，對於重型/超重火箭、拉格朗日軌道飛控、高速數傳、高精度姿控和指向、大尺寸高靈敏度CCD傳感器等技術，我們已經完全掌握或已取得長足進步。
今年五月，媒體透露長光所正在預研十米口徑機器人在軌組裝太空望遠鏡，預期2030年左右發射。這將是和美國下一個旗艦望遠鏡（如果一切順利的話）旗鼓相當的項目，非常值得期待！
圖11：長光所10米在軌組裝太空望遠鏡（credit：CCTV）
圖12：長光所4米碳化硅主鏡（credit：新華社）
今天韋伯的發射是一個重要的轉折點，代表哈勃時代的結束和新時代的到來。未來幾十年，中美競爭大概率主導世界格局，太空望遠鏡也不例外。我希望，這是一種有益人類進步的良性競爭。
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