看得深 看得广 看得精!巡天空间望远镜将这样揭示宇宙演化奥秘

  伴随着中国空间站的建造,与其共轨飞行的巡天空间望远镜的研制也正在紧张有序推进,预计在中国空间站建成后发射升空,将成为探索星辰大海的旗舰级空间天文设施。

  日前,美国国家航空航天局公布了韦伯空间望远镜拍摄的首批全彩色照片,涵盖深空星系团等天文学前沿领域。哈勃望远镜在轨运行30多年,也发回了大量宇宙深空的照片。和哈勃、韦伯相比,我国的巡天空间望远镜又有哪些特点呢?

  哈勃空间望远镜运行在约560公里高的近地轨道,主镜口径为2.4米,覆盖近紫外到短波红外。在轨30多年,其研究工作远远超出原有的科学目标,取得了一系列丰硕成果。

  日前公布首批全彩色照片的韦伯望远镜,则运行在距地球150万公里的日-地第二拉格朗日点,主镜口径为6.5米,由18面六边形的镜面拼接而成,覆盖可见光到中红外波段,主要目标是搜寻宇宙大爆炸之后的第一代恒星和星系,研究星系的形成、演化等。

  我国的空间巡天望远镜发射升空后,将运行在约400公里高的近地轨道,主镜口径为2米,重点开展近紫外-可见光-近红外波段的巡天观测。

  中科院长春光机所研究员 巡天光学设施总体主任设计师 徐抒岩:这个空间巡天望远镜的特点,就是看得深、看得广、看得精。同等深度和精度基础上,它的广度是哈勃望远镜的300倍以上。同等条件下,哈勃望远镜能看到1颗星,我们的空间巡天望远镜可以看到300颗星。

  据介绍,哈勃望远镜相机的探测器有手掌般大小,而中国空间站望远镜巡天模块的主焦面由30块探测器拼接而成,每一块都比哈勃的探测器大。其中18块探测器上设置有不同的滤光片,可以获得宇宙天体在不同波段的彩色图像;另外12块探测器则用于无缝光谱观测,平均每次曝光可以获得至少上千个天体的光谱信息。运行后,它将成为太空中像元规模最大的天文相机。

  从研制到测试 两米口径望远镜困难重重

  作为中国天文学届最先进也是最昂贵的空间天文设施,光学巡天望远镜将有助于解答宇宙中很多最基本的问题。那么,这台望远镜的研制,又面临哪些难题和挑战呢?

  中科院长春光机所研究员 巡天光学设施总体主任设计师 徐抒岩:首先,两米口径的光学望远镜是我们国家首次运行于空间,这在世界上也是非常少见的。第二方面,我们采用一个离轴三反的光学系统,无论从加工制造各方面都比较难。还有一个就是从我们的材料也难,这个也是我们国家首次大量采用碳纤维复合材料,去构成一个相机的主要组成部分。

  如果把望远镜比作观测太空的“眼睛”,那么反射镜就是眼睛的“晶状体”。晶状体越大,眼睛的空间分辨率也就越高,能够观测到天体更多的细节。对于两米口径的望远镜,镜面精度要求达到纳米级别,加工制造面临的挑战也前所未有。

  中科院长春光机所研究员 巡天光学设施总体主任设计师 徐抒岩:这个望远镜特别大,十几米长,大小差不多和一个卡车差不多大,这个环境试验需要的规模非常大,所以我们在此期间也配置了非常多的力学环境试验、热环境试验、真空环境试验的模拟设备,开展环境试验难度也非常大。我们现在一个设备由很多模块所组成,现在模块基本上都做出来了,下一步工作就是把这些模块要组装起来,开展测试、标定试验工作。

  打造旗舰级太空望远镜 揭示宇宙演化奥秘

  如果说哈勃望远镜用高清晰的图像为我们掀开了宇宙的一角,那么,正在研制中的巡天空间望远镜升空运行之后,将会给人类带回整个宇宙全景的高清晰图像,开启人类对于宇宙的崭新认识。

  把望远镜放到天上去的最主要原因,是可以消除大气对天文观测带来的不利影响,精确地研究宇宙天体。

  中科院国家天文台研究员 巡天光学设施责任科学家 詹虎:巡天空间望远镜的一个主任务就是进行巡天观测,也就是对天体的一个普查,这大概占巡天空间望远镜运行时间的70%,科学覆盖面是非常广的。巡天空间望远镜还配备了很多台仪器,所以它不仅能够做普查,而且也能够对天体进行很精细的观测、精细的研究或者详查。

  在整个巡天周期里,巡天模块将会覆盖17500平方度的天区,是整个天空面积的40%,积累近20亿星系的高质量数据,并绘制出宇宙的结构和演化过程。利用获取的星系样本,天文学家还可以测绘上百亿光年范围内的暗物质分布地图。

  中科院国家天文台研究员 巡天光学设施责任科学家 詹虎:巡天空间望远镜在论证的初期,就提出了宇宙学和星系科学方面的主要研究方向,所以这两个方向应该是它一个驱动性的科学目标,同时它也可以覆盖像银河系、恒星、黑洞、太阳系乃至系外行星的研究,可以为这些方面的研究提供极其丰富的数据,有望取得突破。