巡天光学舱与众不同的中国天眼

　　近日，中国载人航天工程总设计师周建平表示，我国计划在2023年或2024年发射中国首个太空望远镜，这将对我国了解宇宙、了解太空提供一个非常强有力的观测手段。那么，我国将要发射的太空望远镜有哪些特点呢？相比国外的一些太空望远镜，又有何不同之处？中国科学院詹虎、郝蕾等专家的有关文章为我们揭开了其中谜底。
　　巡天号光学舱想象图
　　填补国内观测空白
　　随着自适应光学技术的进步，地面望远镜可以校正大气湍流的影响，通过实时补偿能获得很好的成像质量。尽管如此，自适应光学仍然无法完美地校正大气湍流带来的影响，且大气层会吸收红外等波段的辐射，其观测效果不是很理想。而太空望远镜能较好地解决这些问题带来的影响，具有地面望远镜无法比拟的优势。
　　中国的天文大型观测设施起步较晚，4米口径的＂郭守敬＂已经是目前国内最大的望远镜，论证中的12米望远镜还有待建设，但中国航天技术的快速发展，为我国在空间天文上＂弯道超车＂提供了可能。
　　4米口径的＂郭守敬＂是目前国内最大的望远镜
　　2010年9月25日，我国空间站项目正式得到国务院批准。整个空间站由核心舱和两个实验舱组成，其中，实验舱II将装有一台2米口径的巡天号光学舱。
　　这样的设计方案使得太空站望远镜指向受制于空间站结构影响，无法像独立的太空望远镜那样自由地指向任意方向观测，也不能长时间对一个方向连续曝光。
　　空间站望远镜置于舱内的设计，严重限制了它的观测时间，对比欧美国家的欧几里得太空望远镜和罗曼太空望远镜，中国巡天望远镜的可观测时间约为它们的一半。为此，科研人员又提出将望远镜放到舱外进行观测的方案，但只要望远镜与空间站直接相连，空间站的姿态变化、结构形变以及航天员活动和飞船对接带来的振动，都会导致成像质量严重退化。
　　2015年，有关方面提出新方案，即建造独立的太空望远镜，这就是目前计划中的巡天号光学舱。它将和中国空间站共轨运行，一方面避免了空间站对望远镜视野、观测时间和成像质量的影响；另一方面便于对接空间站进行在轨维护。同时，巡天舱在轨对接维护方案，要比使用航天飞机维护的哈勃望远镜更为方便，维护费用也低很多。
　　设计理念世界首创
　　虽然巡天号光学舱改为长期自主飞行设计，但仍以高角分辨率巡天和光谱巡天为主，它的性能在世界太空望远镜中也是屈指可数的。
　　巡天号光学舱想象图
　　该光学舱装有一台2米口径的大型望远镜，虽然比美国哈勃望远镜2.4米的口径小，但比欧几里得望远镜的1.2米口径大。
　　巡天号光学舱的观测波长范围为255~1000纳米，覆盖了从近紫外、可见光到近红外波段，而同样＂巡天＂的欧几里得望远镜只覆盖可见光和近红外波段。同时，巡天号光学舱设计用于巡天，它的有效视场大约为1.1平方度，比欧几里得望远镜和罗曼望远镜都大，更是哈勃望远镜有效视场面积的约300倍。
　　从角分辨率或成像质量上讲，巡天号光学舱的望远镜最高达0.15角秒，远优于罗曼望远镜和欧几里得望远镜，和哈勃望远镜的0.1角秒相去不远。
　　值得一提的是，巡天号光学舱在设计上追求高指向精度和平台稳定度，它在超静、超精和超稳的平台设计指标上超越了哈勃望远镜的后继者——韦伯太空望远镜。
　　巡天号光学舱在多项指标上超越韦伯太空望远镜
　　巡天号光学舱不仅将填补我国空间天文观测的空白，而且将实现接近哈勃望远镜的分辨率和超过哈勃望远镜两个数量级的视场，能快速完成大规模的多色成像和无缝光谱巡天。
　　巡天号光学舱的优越性，离不开创新性设计。该光学舱除了装有2米口径的Cook型离轴三反射光学系统，还增加了一个折转镜便于实现不同光学载荷之间的切换、调焦和精密稳像等功能。
　　离轴三反射是一种十分优秀的光学设计，它不仅有利于实现超大的视场，而且没有哈勃望远镜和韦伯望远镜的同轴反射光学系统中不可避免的光路遮挡，具有通光效率高的优点，也没有镜面支撑带来的衍射问题，光学成像质量更高。巡天号光学舱还将是我国首个使用主动光学的太空望远镜，通过主动调整次镜的形变，可以进一步提高望远镜成像质量。
　　另外，巡天号光学舱不仅能自主飞行，具有很高的姿态调整精度，还具备主动交会和停靠空间站的能力。它在停靠空间站期间可以接受推进剂补加，并对设备进行维护、维修和更新升级。相比哈勃望远镜每次维护都要发射航天飞机，巡天号光学舱的共轨飞行和空间站在轨维护设计，具有更好地维护效率和费效比。
　　此外，该光学舱还兼具巡天和查地能力，能作为遥感卫星使用，这样的设计理念属于世界首创。
　　期待带来重大发现
　　按照规划，巡天号光学舱与空间站共轨飞行，主要用于实施天文观测，兼顾对地观测能力。它能够提供与哈勃望远镜分辨率大致相当，但视场大300多倍的巡天观察能力，光学系统的性能在世界新一代太空望远镜中也是屈指可数的。
　　此外，该光学舱的传感器也可圈可点，它搭载了巡天相机、积分视场光谱仪、多通道成像仪、系外行星成像星冕仪、太赫兹接收仪等5个有效载荷，除了具备基本的快速巡天能力外，系外行星成像星冕仪还为它增加了探测和研究系外行星的能力。
　　巡天号光学舱对接中国空间站想象图
　　巡天号光学舱最主要的任务是巡天观测，科研人员计划进行17500平方度的多色成像观测，以及与之同天区的无缝光谱观测，还将进行400平方度的多色成像深场观测和与之同天区的无缝光谱深场观测。
　　简单地说，巡天号光学舱将在上天后的10年时间里进行大面积多色成像巡天和大面积无缝光谱巡天等普查观测，再通过极深度多色成像巡天对遴选天区进行精细的详查研究。因此，作为我国未来10年的旗舰级空间观测设备，它将通过10年巡天获得的数据来观测宇宙学中的引力透镜效应和大尺度结构，对宇宙中的暗物质和暗能量进行研究。
　　另外，它还将通过对星系和活动星系核，以及近邻宇宙与恒星的观测，研究宇宙天体的形成和演化，也将用于观测和研究造父变星，提高宇宙尺度的距离测量精度。它还能用于太阳系中大量暗弱小天体的观测，以及观测和研究暂现源。
　　总之，巡天号光学舱不仅将填补我国大型太空望远镜的空白，而且性能指标还将超越以往的巡天项目，成像质量是同期巡天空间望远镜中最好的，并具备独一无二的近紫外观测能力。巡天号光学舱在未来10年的巡天观测任务中，有望凭借优秀的性能，观测分析和揭示宇宙加速膨胀的机理，甚至带来意料之外的重大科学发现。
　　文/尼摩