巡天光學艙：與眾不同的中國“天眼”_風聞

來源：中國航天報

近日，中國載人航天工程總設計師周建平表示，我國計劃在2023年或2024年發射中國首個太空望遠鏡，這將對我國瞭解宇宙、瞭解太空提供一個非常強有力的觀測手段。那麼，我國將要發射的太空望遠鏡有哪些特點呢？相比國外的一些太空望遠鏡，又有何不同之處？中國科學院詹虎、郝蕾等專家的有關文章為我們揭開了其中謎底。

巡天號光學艙想象圖

填補國內觀測空白

隨着自適應光學技術的進步，地面望遠鏡可以校正大氣湍流的影響，通過實時補償能獲得很好的成像質量。儘管如此，自適應光學仍然無法完美地校正大氣湍流帶來的影響，且大氣層會吸收紅外等波段的輻射，其觀測效果不是很理想。而太空望遠鏡能較好地解決這些問題帶來的影響，具有地面望遠鏡無法比擬的優勢。

中國的天文大型觀測設施起步較晚，4米口徑的“郭守敬”已經是目前國內最大的望遠鏡，論證中的12米望遠鏡還有待建設，但中國航天技術的快速發展，為我國在空間天文上“彎道超車”提供了可能。

4米口徑的“郭守敬”是目前國內最大的望遠鏡

2010年9月25日，我國空間站項目正式得到國務院批准。整個空間站由核心艙和兩個實驗艙組成，其中，實驗艙II將裝有一台2米口徑的巡天號光學艙。

這樣的設計方案使得太空站望遠鏡指向受制於空間站結構影響，無法像獨立的太空望遠鏡那樣自由地指向任意方向觀測，也不能長時間對一個方向連續曝光。

空間站望遠鏡置於艙內的設計，嚴重限制了它的觀測時間，對比歐美國家的歐幾里得太空望遠鏡和羅曼太空望遠鏡，中國巡天望遠鏡的可觀測時間約為它們的一半。為此，科研人員又提出將望遠鏡放到艙外進行觀測的方案，但只要望遠鏡與空間站直接相連，空間站的姿態變化、結構形變以及航天員活動和飛船對接帶來的振動，都會導致成像質量嚴重退化。

2015年，有關方面提出新方案，即建造獨立的太空望遠鏡，這就是目前計劃中的巡天號光學艙。它將和中國空間站共軌運行，一方面避免了空間站對望遠鏡視野、觀測時間和成像質量的影響；另一方面便於對接空間站進行在軌維護。同時，巡天艙在軌對接維護方案，要比使用航天飛機維護的哈勃望遠鏡更為方便，維護費用也低很多。

設計理念世界首創

雖然巡天號光學艙改為長期自主飛行設計，但仍以高角分辨率巡天和光譜巡天為主，它的性能在世界太空望遠鏡中也是屈指可數的。

巡天號光學艙想象圖

該光學艙裝有一台2米口徑的大型望遠鏡，雖然比美國哈勃望遠鏡2.4米的口徑小，但比歐幾里得望遠鏡的1.2米口徑大。

巡天號光學艙的觀測波長範圍為255~1000納米，覆蓋了從近紫外、可見光到近紅外波段，而同樣“巡天”的歐幾里得望遠鏡只覆蓋可見光和近紅外波段。同時，巡天號光學艙設計用於巡天，它的有效視場大約為1.1平方度，比歐幾里得望遠鏡和羅曼望遠鏡都大，更是哈勃望遠鏡有效視場面積的約300倍。

從角分辨率或成像質量上講，巡天號光學艙的望遠鏡最高達0.15角秒，遠優於羅曼望遠鏡和歐幾里得望遠鏡，和哈勃望遠鏡的0.1角秒相去不遠。

值得一提的是，巡天號光學艙在設計上追求高指向精度和平台穩定度，它在超靜、超精和超穩的平台設計指標上超越了哈勃望遠鏡的後繼者——韋伯太空望遠鏡。

巡天號光學艙在多項指標上超越韋伯太空望遠鏡

巡天號光學艙不僅將填補我國空間天文觀測的空白，而且將實現接近哈勃望遠鏡的分辨率和超過哈勃望遠鏡兩個數量級的視場，能快速完成大規模的多色成像和無縫光譜巡天。

巡天號光學艙的優越性，離不開創新性設計。該光學艙除了裝有2米口徑的Cook型離軸三反射光學系統，還增加了一個折轉鏡便於實現不同光學載荷之間的切換、調焦和精密穩像等功能。

離軸三反射是一種十分優秀的光學設計，它不僅有利於實現超大的視場，而且沒有哈勃望遠鏡和韋伯望遠鏡的同軸反射光學系統中不可避免的光路遮擋，具有通光效率高的優點，也沒有鏡面支撐帶來的衍射問題，光學成像質量更高。巡天號光學艙還將是我國首個使用主動光學的太空望遠鏡，通過主動調整次鏡的形變，可以進一步提高望遠鏡成像質量。

另外，巡天號光學艙不僅能自主飛行，具有很高的姿態調整精度，還具備主動交會和停靠空間站的能力。它在停靠空間站期間可以接受推進劑補加，並對設備進行維護、維修和更新升級。相比哈勃望遠鏡每次維護都要發射航天飛機，巡天號光學艙的共軌飛行和空間站在軌維護設計，具有更好地維護效率和費效比。

此外，該光學艙還兼具巡天和查地能力，能作為遙感衞星使用，這樣的設計理念屬於世界首創。

期待帶來重大發現

按照規劃，巡天號光學艙與空間站共軌飛行，主要用於實施天文觀測，兼顧對地觀測能力。它能夠提供與哈勃望遠鏡分辨率大致相當，但視場大300多倍的巡天觀察能力，光學系統的性能在世界新一代太空望遠鏡中也是屈指可數的。

此外，該光學艙的傳感器也可圈可點，它搭載了巡天相機、積分視場光譜儀、多通道成像儀、系外行星成像星冕儀、太赫茲接收儀等5個有效載荷，除了具備基本的快速巡天能力外，系外行星成像星冕儀還為它增加了探測和研究系外行星的能力。

巡天號光學艙對接中國空間站想象圖

巡天號光學艙最主要的任務是巡天觀測，科研人員計劃進行17500平方度的多色成像觀測，以及與之同天區的無縫光譜觀測，還將進行400平方度的多色成像深場觀測和與之同天區的無縫光譜深場觀測。

簡單地説，巡天號光學艙將在上天后的10年時間裏進行大面積多色成像巡天和大面積無縫光譜巡天等普查觀測，再通過極深度多色成像巡天對遴選天區進行精細的詳查研究。因此，作為我國未來10年的旗艦級空間觀測設備，它將通過10年巡天獲得的數據來觀測宇宙學中的引力透鏡效應和大尺度結構，對宇宙中的暗物質和暗能量進行研究。

另外，它還將通過對星系和活動星系核，以及近鄰宇宙與恆星的觀測，研究宇宙天體的形成和演化，也將用於觀測和研究造父變星，提高宇宙尺度的距離測量精度。它還能用於太陽系中大量闇弱小天體的觀測，以及觀測和研究暫現源。

總之，巡天號光學艙不僅將填補我國大型太空望遠鏡的空白，而且性能指標還將超越以往的巡天項目，成像質量是同期巡天空間望遠鏡中最好的，並具備獨一無二的近紫外觀測能力。巡天號光學艙在未來10年的巡天觀測任務中，有望憑藉優秀的性能，觀測分析和揭示宇宙加速膨脹的機理，甚至帶來意料之外的重大科學發現。