目光敏锐的“宇宙之眼”

〇席金合

2022 年7 月24 日，问天实验舱从海南文昌凌空而起，与在轨运行的天宫空间站完美对接。随后，神舟十四号航天员乘组开启舱门，从核心舱进入实验舱工作，这预示着我国空间站有望年底建成。令人欣喜的是，之后我们还将发射一个用于天文观测的光学舱——巡天空间望远镜。这是中国最先进、最昂贵的天文学研究设备，将于2024 年升空，与空间站在同一轨道上运行。有人形象地描述，“巡天号”如同目光敏锐的“宇宙之眼”，在绕地飞行的同时，对深层空间进行精细扫视，帮助人类获得对宇宙的崭新认识。

为何不装在空间站上

回答这个问题，离不开一段鲜为人知的历史。我国空间站主体结构最初的设计方案是：核心舱的一侧是科学实验舱，另一侧是巡天空间光学舱。也就是说，“巡天号”是空间站的一部分，二者一起共体飞行。

后来，考虑到核心舱内人员活动、舱段分离或对接等，可能会给空间站带来一定震动，对望远镜的成像造成不良影响。试想，人想要坐在颠簸的车上照相或精准观察窗外景物，难度可想而知。还有一个原因就是，空间站照明系统很亮，会严重影响望远镜的观测和拍照。这类似于人夜间站在强光灯下，眼睛被照得发花，难以看清眼前景物。为此，在设计后期，科研人员就将巡天望远镜从空间站舱体上撤了下来，将其作为一个独立的光学舱，用火箭送上天，与空间站一起在太空围绕地球飞行。不过，二者相距很远，主要是为了防止发生“追尾”事故。就这样，设计方案由原来的“共体飞行”改为“共轨飞行”。

作为一个独立的航天飞行器，巡天光学舱在飞行过程中，能自主控制方向及调整飞行姿态。更重要的是，它能主动与天宫空间站对接，并将其作为太空“基地”，通过在轨宇航员操作帮助，完成燃料补给、设备更换升级和有关维护维修等任务，从而保证自身的使用寿命。

对此，有人风趣地说：“‘巡天号’虽然只身单影行动，自己照顾自己，但它并不是孤苦伶仃的孩子，不但有‘家’可回，还有‘父母’特别照料。”由此可见，这种不错的待遇，有利于它在天上长期、可靠地工作。

与哈勃望远镜有一拼

1990 年，美国成功发射哈勃空间望远镜，尽管在2018 年因故障而暂停运行，但在近30 年内，它一直是世界上最大、最先进的太空望远镜。不过，它这个天文界的霸主地位，很快将会被中国人的“巡天号”取代。

据资料显示，巡天光学舱总重达十几吨，大小相当于一辆大巴车，望远镜口径2米。无论它的重量还是体积，都超过哈勃望远镜。由于配备了一系列先进的辅助探测仪，极大提升了“照相机”的像素，其探测的灵敏度和分辨率均可与哈勃望远镜相媲美。“巡天号”的视角是“哈勃”的300 多倍，就像装上了广角镜一样，探测范围更广。

用国家天文台研究员李然的话说，“巡天号”一次能观测月球所遮挡的全部天区，而“哈勃”只能观测到这片天区的几百分之一。这意味着，“哈勃”一年内所获取的图像资料，“巡天号”一天就能搞定。如果它在轨工作十年，可完成对40%以上天区的观测。“巡天号”还配有特殊的成像仪、光谱仪等一系列精密测量仪器，它们将发挥各自的特点和优势，以精确的数据配合望远镜对天体结构和物质成分进行探察。

生活经验告诉我们，看近处的楼房虽然真切，但看到的数量有限；远处大片楼房虽然都能尽收眼底，但很难看清。而巡天望远镜正好能解决这个矛盾。它拍出的相片既能显示很多星系，图像质量又很高，因此能帮我们获得更多更好的探测成果。

“巡天号”还能对地面进行观测，效果与美国的“锁眼”侦察卫星相当。这样的设计为世界首创，打破了西方“天地观测不可兼得”的定论。此外，哈勃望远镜一旦出现问题，人必须从地面飞上天去处置，费事费时；而“巡天号”可以依靠空间站里的人员解决，比较方便。

为何把望远镜放到天上

天文望远镜都是大家伙，安在地上安全又省事。我国口径500 米的球面射电望远镜——天眼，就安安稳稳地坐落在贵州黔南山区的大凹坑中。正常工作以来，它已发现660 余颗新脉冲星和诸多复杂的天文现象，至今未发现它的任何缺点。那么，为何要把巡天望远镜放到天上呢？道理其实很简单，射电望远镜靠接收来自宇宙的电磁波工作，受遮蔽物影响不大；而巡天望远镜接收的是可见光，受天气影响很明显。比如阴雨天它会被云雾遮蔽视线，即使是大晴天，由于空中悬浮着微小尘埃，观测效果同样也会受到影响。

有朋友可能认为，把望远镜安置在太空，等于把观测距离拉近了，而且这样能“站得高，看得远”吧。其实不然。巡天望远镜的离地高度为400 多千米，这相比它与遥远天体的距离则微乎其微。这样的情形就像人看远处时向前伸了一下脖子，几乎没有效果。

其实，最重要的原因是大气扰动。地球表面包裹着100 多千米厚的大气层，虽然它是透明的，但不停地流动。来自宇宙的光线穿过大气层时，路径就会不断变化。因此，隔着大气层观察宇宙，获得的图像是抖动的，甚至模糊不清。就如同人站在喷泉边看水下的彩灯，如果水面轻微波动，则看到的灯光在闪烁；如果水面剧烈波动，则眼前是一片忽隐忽现的光斑，根本看不出是彩灯。我们夜间看到星星在眨眼，也是这个道理。实际上，绝大多数星体发光比较稳定，不是一明一暗的，只因大气扰动才造成观察错觉。所以，把望远镜安放在大气层外的太空，就能避免这种情况。

早在1946 年，美国天文学家莱曼·斯皮策就大胆地提出，把望远镜放到绕地轨道上去，但当时的航天技术达不到这个水平。后来，随着人造卫星多次发射，美国才终于把哈勃望远镜送上天。可是，哈勃望远镜最初发回的太空图片很模糊。原来，它的镜面在磨制时出现了误差。于是，航天员不得不飞上天，经过600 个小时的太空作业，给它安装了改正镜。这相当于有人视力不好，戴上眼镜就能看清了。之后，哈勃望远镜传回的图像，比在地面观测清晰很多倍。

能给人类带来什么

哈勃望远镜的工作成果颇丰：精确测出哈勃常数，结束了长久以来的宇宙年龄之争；进一步证实了星系中心存在超级黑洞，并帮助人们探索星系和黑洞之间的联系；观测出气态行星的极光、火星的天气系统、冥王星和矮行星的卫星等，为探索太阳系的演化提供了证据；其超强的深空观测能力，让人类看到了最遥远的宇宙切片。

如果说“哈勃”以高清晰的图像掀开了宇宙一角，那么“巡天号”将全景式揭开宇宙奥秘。过去所有精测望远镜都只能同时观测一两个星系，而巡天望远镜可观测成百上千个，使那些稀奇古怪的天体现出真容。星体碰撞、恒星爆发、星系剧烈活动等大量天文现象，都将会真切地展现出来。

以往，一些超大星系或者由无数个星系构成的星系团，需要分拍多次再拼接照片，才能获得一个完整图像。而借助巡天空间望远镜，可一次拍摄而成。

巡天望远镜最重要的任务，是观测宇宙中看不见的东西，即总量是全部星球5倍以上的暗物质。暗物质虽然人眼和仪器无法感知，但作用却很重要，它以强大的引力维系着星系，使其有条不紊地运行。

根据爱因斯坦的相对论，光线从天体旁边经过，会受到吸引而发生弯曲。星系发出的光线向我们射来，也会被宇宙某区域的暗物质吸引而发生弯曲。这样一来，观测到的天体就像透过圆形鱼缸看到的东西，会出现失真。因此，根据大量探测到的遥远星系形态，可推知暗物质的存在。由于巡天空间望远镜的成像非常清晰，分析它提供的海量星系照片，可绘制出170 亿光年范围内的暗物质分布图。

由于光速有限，我们看到的遥远天体，实际上是早期的样貌。据此，分析比较巡天望远镜同期对远近同类天体拍摄的照片，或者是不同时期对同一天区拍摄的照片，可推知宇宙结构演化。此外，巡天望远镜提供的海量星系亮度分布和位置分布信息中，也包含着宇宙结构演化情况。对此，综合运用多种分析手段，可推知宇宙过去的膨胀历史。

研发空间望远镜是攻占现代天文学领域的新高地，曾一度出现激烈竞争，如今的形势发生了实质性反转。当初，西方航天强国拒绝中国参与，并对我们进行技术封锁。现在他们却请求与我们合作。但我们现在不需要外界力量介入。可以预见，由中国航天工程团队打造的空间望远镜，将为我国天文学科研水平领先国际水平提供良好机遇。毫不夸张地说，巡天空间望远镜将把视野延伸到九天之外更深远的地方，为人类揭开更多的宇宙奥秘，提供整个太空的全景式高清晰图像。届时，普通民众也能在互联网上看到这个“宇宙之眼”发回的美丽图片，直观感受星海的浩瀚和黑洞的神奇。