作者：馬瑞燦、葛明玉、鄭世界（分別系中國科學(xué)院高能物理研究所博士、研究員、副研究員）

　　最近，歐洲空間局歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡成功搭乘獵鷹9號火箭發(fā)射升空，該望遠(yuǎn)鏡將在天球面積三分之一的范圍內(nèi)觀測距離超過100億光年的數(shù)十億星系，繪制出有史以來最大、最準(zhǔn)確的宇宙時空3D地圖，以研究宇宙中的暗物質(zhì)分布和暗能量的性質(zhì)。目前，太空中活躍著很多空間望遠(yuǎn)鏡，極大地豐富了人類對于宇宙的認(rèn)知。但它們高昂的造價也總是引發(fā)公眾的討論：我們有必要將望遠(yuǎn)鏡送到太空嗎？地面望遠(yuǎn)鏡無法執(zhí)行這些觀測任務(wù)嗎？

　　1.去太空，獲取地面無法得到的宇宙信息

　　地球在大氣的保護中，但這對人類而言不可或缺的保護，卻給科學(xué)觀測設(shè)置了難題——僅射電（微波）和光學(xué)等波段幾乎不被或者少量被大氣吸收，而其他波段的輻射則會被大氣顯著吸收，因此只有將望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到太空中才能進(jìn)行觀測。而即使對于可以在地面觀測的波段，比如光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，發(fā)射到太空也可以取得更好的觀測效果。

　　簡單來說，相比于地面望遠(yuǎn)鏡，在太空中的空間望遠(yuǎn)鏡具有多重優(yōu)勢：

　　第一，空間觀測消除了大氣干擾。通常情況下，在地面進(jìn)行觀測時，大氣折射會使得星光在觀測路徑中發(fā)生偏折，從而使天體的位置和形狀產(chǎn)生扭曲，形成所謂的“大氣像差”。同時地面觀測還面臨由大氣湍流、空氣污染和氣候變化等干擾因素所引起的圖像模糊、散射、吸收等問題?？臻g望遠(yuǎn)鏡位于大氣層之外，可以避免這些大氣干擾因素，因此能夠獲得更為清晰和準(zhǔn)確的觀測數(shù)據(jù)。

　　第二，空間望遠(yuǎn)鏡的觀測波段更寬?？臻g望遠(yuǎn)鏡不受地球大氣吸收的影響，可以在更寬的波段開展觀測，尤其是能夠完整觀測紅外、紫外以及更高能的X射線和伽馬射線波段的輻射。這對于我們從多個波段更全面地理解宇宙信息具有重要意義。

　　第三，空間望遠(yuǎn)鏡能進(jìn)行更高分辨率的觀測。理論上講，地面望遠(yuǎn)鏡的分辨率與其口徑成正比。但當(dāng)望遠(yuǎn)鏡口徑達(dá)到一定值，大氣干擾將顯著影響觀測?？臻g望遠(yuǎn)鏡卻不受大氣湍流、折射以及濕度等因素的影響，避免了圖像模糊和失真等問題，同時能獲得更加精確和清晰的圖像。這種卓越的分辨率使我們能夠深入探索宇宙中微小的結(jié)構(gòu)和現(xiàn)象，例如星際物質(zhì)的分布和行星表面的細(xì)節(jié)。

　　第四，空間望遠(yuǎn)鏡具備長時間連續(xù)觀測能力。除了被地球遮擋或處在南大西洋異常區(qū)等惡劣的空間環(huán)境外，空間望遠(yuǎn)鏡能夠?qū)τ^測目標(biāo)源進(jìn)行長期連續(xù)觀測。無論是白天還是黑夜，是晴天還是陰天，它不受地球自轉(zhuǎn)和大氣條件的干擾，為科學(xué)家提供了更長時間的觀測窗口，增加了觀測效率和科學(xué)產(chǎn)出。這有助于捕捉和觀測天體的變化和演化過程，例如快速暴發(fā)現(xiàn)象、短暫事件以及需要長時間連續(xù)監(jiān)測的目標(biāo)源等，具有重要的科學(xué)意義。通過連續(xù)觀測，科學(xué)家可以更準(zhǔn)確和細(xì)致地研究這些天體和現(xiàn)象的起因和演變規(guī)律，深入理解宇宙的動態(tài)過程。

　　第五，空間觀測能避免人為污染。地球的黑夜越來越亮，電磁信號也越來越多、越來越復(fù)雜，而地面儀器觀測需要很高的靈敏度，儀器附近一點點影響都會給觀測帶來巨大影響。比如，在地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡附近，必須有一定范圍的燈光靜默區(qū)。地面射電望遠(yuǎn)鏡也是如此，它的附近連微波爐都不能使用，游客參觀“天眼”等射電望遠(yuǎn)鏡時是不能攜帶手機等能發(fā)射電磁信號的設(shè)備的?？臻g望遠(yuǎn)鏡可以有效避免由于人類活動引起的光污染以及射頻干擾等，從而得到更干凈的觀測數(shù)據(jù)。這為研究宇宙中更遠(yuǎn)的天體現(xiàn)象、更微弱的信號和更細(xì)微的結(jié)構(gòu)提供了獨一無二的機會。

　　空間望遠(yuǎn)鏡是探索宇宙的更深層次、更全面的工具，有助于取得更多重要發(fā)現(xiàn)，例如宇宙的加速膨脹、太陽系新行星和衛(wèi)星的探索、宇宙微波背景的輻射以及暗能量等。

　　2.太空中，機遇與挑戰(zhàn)并存

　　然而，空間望遠(yuǎn)鏡的運行和使用也面臨一些難題。

　　首先是高昂的成本?？臻g望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計、制造、發(fā)射和運行都需要巨額資金的投入。設(shè)計一個能夠在太空極端環(huán)境中工作的空間望遠(yuǎn)鏡需要先進(jìn)的技術(shù)和高精度的儀器，從研發(fā)到測試以及制造，都要投入巨大成本。此外，為確保望遠(yuǎn)鏡在太空中的可靠性和性能，需要在地面進(jìn)行許多嚴(yán)苛的力學(xué)、熱學(xué)、真空等試驗，這也會產(chǎn)生巨額的資金投入。例如詹姆斯韋伯望遠(yuǎn)鏡的造價就接近百億美元。此外，將空間望遠(yuǎn)鏡送入太空需要借助火箭，而一次火箭發(fā)射所需要的費用可達(dá)幾百萬美元甚至上億美元。同時，運行和維護空間望遠(yuǎn)鏡也需要大量的資金投入，包括遙測遙控、數(shù)據(jù)接收、科學(xué)運行以及數(shù)據(jù)的標(biāo)定與分析等方面的費用。這些高昂的成本使得空間望遠(yuǎn)鏡的規(guī)劃和執(zhí)行具有挑戰(zhàn)性，需要合理的資金規(guī)劃以及財務(wù)支持，以確?？臻g望遠(yuǎn)鏡的順利運行。這也要求科學(xué)家、工程師以及相關(guān)機構(gòu)等進(jìn)行精心的規(guī)劃和設(shè)計來確保空間望遠(yuǎn)鏡項目的成功。

　　其次是技術(shù)難題?？臻g望遠(yuǎn)鏡在極端的外太空環(huán)境中工作，面臨著宇宙射線輻照、巨大的溫度變化、微小隕石的撞擊以及真空環(huán)境等挑戰(zhàn)。為了確保望遠(yuǎn)鏡的正常運行和觀測精度，需要解決許多技術(shù)難題。

　　其中之一是精確的定位和穩(wěn)定的姿態(tài)控制?？臻g望遠(yuǎn)鏡需要精確的位置和穩(wěn)定的姿態(tài)，以確保目標(biāo)源的可觀測性。這包括準(zhǔn)確的指向和精確控制，以便消除望遠(yuǎn)鏡自身的震動和漂移，從而獲取準(zhǔn)確的觀測信息。例如，2016年發(fā)射的日本衛(wèi)星“瞳”由于姿態(tài)控制出現(xiàn)問題，導(dǎo)致剛發(fā)射的衛(wèi)星在太空中解體報廢。因此，精密的姿態(tài)控制技術(shù)對于空間望遠(yuǎn)鏡的成功運行至關(guān)重要。

　　另一個挑戰(zhàn)是穩(wěn)定的溫度控制。太空里溫度變化極大，從極冷的太空溫度到強烈的太陽輻射，溫差變化可達(dá)數(shù)百攝氏度。為了保證設(shè)備的正常運行，需要采取有效的溫度控制措施，例如隔熱材料和冷卻系統(tǒng)等，以確保設(shè)備在不同溫度條件下的穩(wěn)定性和可靠性。

　　此外，可靠穩(wěn)定的通信系統(tǒng)也是一個關(guān)鍵問題?？臻g望遠(yuǎn)鏡需要與地面系統(tǒng)進(jìn)行通信，以接收指令、發(fā)送觀測數(shù)據(jù)和接收遠(yuǎn)程控制信號?？紤]到太空中復(fù)雜的環(huán)境和地球大氣層的影響，確保通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性具有重要意義。

　　最后，還可能面臨維護和修復(fù)難題?？臻g望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)離地面，對設(shè)備的維修就變得極具挑戰(zhàn)性。雖然地面系統(tǒng)可以通過遠(yuǎn)程操作解決一些問題，但由于地面系統(tǒng)與望遠(yuǎn)鏡之間的通信延遲、復(fù)雜多變的空間環(huán)境等因素的影響，維護和修復(fù)設(shè)備需要非常仔細(xì)的計劃和精確的指令傳輸。

　　但有些問題仍需要工程師親自進(jìn)行修復(fù)。航天飛機曾搭載相關(guān)人員去修復(fù)哈勃望遠(yuǎn)鏡的畸變問題。但隨著航天飛機計劃的終止，對空間望遠(yuǎn)鏡的修護任務(wù)變得愈加困難。未來可能需要依賴機器人技術(shù)或其他航天任務(wù)來進(jìn)行維護和修復(fù)。

　　為了克服這些困難，科學(xué)家和工程師們也在不斷努力研制更加耐用的設(shè)備，以減少對人員干預(yù)的需求，提供更長久的觀測能力。此外，隨著技術(shù)的日新月異，未來更先進(jìn)的機器人技術(shù)和自主化系統(tǒng)也可能會出現(xiàn)并被應(yīng)用到空間望遠(yuǎn)鏡的維護和修復(fù)上。

　　3.中國造，為人類了解宇宙做出更多貢獻(xiàn)

　　空間望遠(yuǎn)鏡開創(chuàng)了更寬的觀測窗口、拓寬了我們對宇宙的認(rèn)知、激發(fā)了更多的科學(xué)問題和研究方向，對于進(jìn)一步探索宇宙的起源和演化具有不可或缺的作用。在這方面，我國曾經(jīng)落后于人。但近20年，特別是最近10年，我國積極進(jìn)行空間探測，取得了值得驕傲的成就。

　　“慧眼”硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡(HXMT)衛(wèi)星是我國第一臺空間X射線天文衛(wèi)星，在2011年正式立項并進(jìn)入工程研制階段，于2017年6月15日成功發(fā)射，開展科學(xué)觀測。它既可以實現(xiàn)寬波段（1-250keV）、大視場X射線巡天，又能夠研究黑洞、中子星等高能天體的短時標(biāo)光變和寬波段能譜的空間X射線天文望遠(yuǎn)鏡，同時也是具有高靈敏度的伽馬射線暴全天監(jiān)視儀。

　　懷柔一號“極目”（GECAM）衛(wèi)星是一個機遇型空間科學(xué)項目，2018年獲得工程立項，A星和B星2020年12月10日發(fā)射升空，C星于2022年7月27日搭載空間新技術(shù)試驗衛(wèi)星發(fā)射入軌。“極目”系列衛(wèi)星采用了一系列創(chuàng)新的探測技術(shù)，并開創(chuàng)性地使用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)短報文服務(wù)實現(xiàn)星地準(zhǔn)實時通信，實現(xiàn)了對空間高能暴發(fā)事件的快速發(fā)現(xiàn)、下傳與對外發(fā)布。

　　這些空間望遠(yuǎn)鏡的成功發(fā)射和運行，使得我國在國際競爭激烈的高能天體物理觀測領(lǐng)域占有重要的一席之地?！盎垩邸焙汀皹O目”對宇宙中的黑洞、中子星、伽馬射線暴、磁星暴發(fā)、快速射電暴的高能對應(yīng)體、太陽耀斑以及地球伽馬閃等開展了大量的觀測，幫助探索其物理機制和起源。特別是，對迄今最亮的伽馬暴的瞬時輻射和早期余輝進(jìn)行的國際最高精度的測量，探測到了國際上第一例和第二例快速射電暴的電磁對應(yīng)體為磁星,破解了其起源之謎，刷新了直接測量宇宙最強磁場（超16億特斯拉）的記錄、發(fā)現(xiàn)迄今為止黑洞中最高能量（200keV以上）的準(zhǔn)周期震蕩等。

　　目前，我國正發(fā)起并牽頭多個空間望遠(yuǎn)鏡項目，必將為未來的空間觀測任務(wù)開辟新的前沿，推動我們對宇宙的認(rèn)識。

　　——中國空間站工程巡天望遠(yuǎn)鏡（CSST）是我國載人空間站旗艦級項目，計劃于2024年發(fā)射。它是我國迄今為止最大的空間天文基礎(chǔ)設(shè)備，具有大視場、高像質(zhì)、寬波段等突出特點，研究涉及宇宙學(xué)、星系科學(xué)、太陽系科學(xué)和系外行星等領(lǐng)域的諸多前沿?zé)狳c方向和重大科學(xué)問題。

　　—由歐洲和其他地區(qū)的多個研究單位參與的國際旗艦級空間望遠(yuǎn)鏡-增強型X射線時變與偏振空間天文臺（eXTP），預(yù)計在2028年左右發(fā)射。它的核心科學(xué)目標(biāo)可概括為：一奇（黑洞）、二星（中子星和夸克星）、三極端（極端引力、磁場和密度），將研究黑洞、中子星中的新物理過程，包括極端引力條件下的廣義相對論、極端密度條件下的量子色動力學(xué)和極端磁場條件下的量子電動力學(xué)等基本規(guī)律。

　　——“全變源追蹤獵人星座”計劃（CATCH）也是我國發(fā)起的空間項目，預(yù)計在2030年左右完成部署。它將由百顆微衛(wèi)星組成智能化X射線觀測星座，旨在對全天變源開展多目標(biāo)、多參量、不間斷觀測，實現(xiàn)刻畫極端宇宙多參量動態(tài)全景的核心科學(xué)目標(biāo)。CATCH計劃的實施將進(jìn)一步提升我國在空間天文領(lǐng)域的探測能力，并促進(jìn)國際合作與交流。

　　空間望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射是為了克服地面觀測的限制，提供更清晰、準(zhǔn)確和連續(xù)的觀測數(shù)據(jù)。它能夠消除大氣干擾和吸收、觀測更深的宇宙和更細(xì)微的細(xì)節(jié)，以及實現(xiàn)連續(xù)觀測。通過空間望遠(yuǎn)鏡，我們能夠深入探索宇宙的起源、演化和結(jié)構(gòu)，研究恒星、行星、星系以及宇宙中的各種現(xiàn)象和過程?？臻g望遠(yuǎn)鏡的確造價高昂，但它們是仰望星空的人類之眼，其獲取的知識、給人類社會帶來的福祉，將影響深遠(yuǎn)。

　　　（CATCH計劃負(fù)責(zé)人陶煉研究員、GECAM首席科學(xué)家熊少林研究員對本文亦有貢獻(xiàn)）

　　《光明日報》（2023年08月03日 16版）