中國巡天望遠(yuǎn)鏡和哈勃相比有什么優(yōu)勢？對比這個細(xì)節(jié)可以找到答案 | 科學(xué)講壇——詹虎

沒有工具，

我們就自己發(fā)明工具。

沒有現(xiàn)成的方法，

我們就得想辦法并進(jìn)行驗證。

詹虎 ·中國科學(xué)院國家天文臺研究員

格致論道第 124 期|2025 年10 月25 日 北京

大家好，我是詹虎，來自中國科學(xué)院國家天文臺。過去的十幾年里，我一直在做中國空間站巡天空間望遠(yuǎn)鏡項目的工作，也非常有幸能夠從它一開始的科學(xué)論證、技術(shù)論證，就一直參與這個項目。今天很高興，能跟大家分享一些它的故事。

與空間站共軌飛行

首先，大家可能對巡天空間望遠(yuǎn)鏡的名稱有一些疑問，為什么要起這個名稱呢？這是一臺跟空間站共軌飛行的、2米口徑的天文望遠(yuǎn)鏡，也是咱們國家空間站工程的重大科學(xué)設(shè)施。

▲巡天空間望遠(yuǎn)鏡與空間站共軌飛行示意圖

提到低軌的空間望遠(yuǎn)鏡，大家可能會聯(lián)想到美國的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡從1990年發(fā)射工作到今天已經(jīng)35年了，中間經(jīng)歷了五次維修和升級。正是這五次維修和升級，使得它能夠長期地運(yùn)行，而且一直保持很高的科學(xué)產(chǎn)出。

哈勃是通過航天飛機(jī)捕獲望遠(yuǎn)鏡，然后由航天員出艙進(jìn)行維修。巡天空間望遠(yuǎn)鏡在論證時也考慮了這一點(diǎn)，希望能夠利用空間站和航天員的支持長久運(yùn)行，不斷更新、升級它的儀器，保持很高的科學(xué)產(chǎn)出。但與哈勃不同的是，巡天空間望遠(yuǎn)鏡將主動與空間站對接進(jìn)行維修升級。

巡天空間望遠(yuǎn)鏡將與空間站在同一個軌道上運(yùn)行，這樣對接時推進(jìn)劑消耗較少。如果兩者在不同軌道上，對接時則需變軌，將消耗大量推進(jìn)劑。由于空間站所在的軌道比較低，大氣阻力仍會使軌道衰減，所以巡天空間望遠(yuǎn)鏡也需要定期規(guī)劃跟空間站對接，加注推進(jìn)劑。

▲巡天空間望遠(yuǎn)鏡可與空間站對接來加注推進(jìn)劑和維修升級

這臺巡天空間望遠(yuǎn)鏡可以跟空間站長期共軌運(yùn)行，然后在空間站退役，最后一次提供維修、補(bǔ)給之后，可以考慮把巡天空間望遠(yuǎn)鏡推到更高的軌道，實(shí)現(xiàn)更長期的運(yùn)行。

天文觀測大致來說分成兩種：一種是巡天觀測，對大樣本進(jìn)行研究；另一種是對個體的精細(xì)研究。根據(jù)星系巡天的數(shù)據(jù)，我們看到星系的分布不是完全隨機(jī)的，而是形成了一些宇宙的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，宇宙學(xué)的模型、宇宙的膨脹等等會影響這些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成。我們通過巡天收集天體樣本，對它們進(jìn)行分類與空間分布的統(tǒng)計，時域巡天項目還可以詳細(xì)記錄這些天體隨時間的變化，探測一些爆發(fā)的現(xiàn)象。

但是，以構(gòu)建大樣本為主要目標(biāo)的巡天觀測，往往難以用于對個體做很精細(xì)的研究，比如說上圖的漩渦星系，它有旋臂，一些區(qū)域可能是恒星形成區(qū)，它甚至有可能正在與其附近的星系發(fā)生相互作用。要研究這些物理過程，就需要更多的觀測手段，可能需要從光譜覆蓋、波段覆蓋、時間分辨率、空間分辨率等各個方向進(jìn)行拓展。

如果將這樣的精細(xì)觀測應(yīng)用到巡天大樣本上，通常會因為代價過高，無法實(shí)現(xiàn)。因此，巡天觀測與精細(xì)觀測這兩種研究往往是分開的——通過巡天發(fā)現(xiàn)很有意思、很有科學(xué)價值的天體，然后再進(jìn)行精細(xì)的觀測。當(dāng)然，這兩者相輔相成、相互迭代，一起推進(jìn)天文的發(fā)展。

回過頭來看，我們?yōu)槭裁匆鲅蔡欤?/strong>實(shí)際上，這個項目從2010年開始論證，那時候美國也在做天文發(fā)展的規(guī)劃。如果再往前推十年、二十年，我們可以看到宇宙學(xué)蓬勃發(fā)展，可以說是宇宙學(xué)的黃金時代。那個時代發(fā)現(xiàn)了暗能量，并在2011年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，但是大家并不知道它的機(jī)理是什么，所以，當(dāng)時國際上也在策劃下一代巡天，想要解決暗能量這個問題。這對我們來說是一個機(jī)遇，也是一個挑戰(zhàn)。

此外，如果在空間站工程里面建造這么一個規(guī)模的望遠(yuǎn)鏡，我們希望有獨(dú)特的優(yōu)勢。巡天空間望遠(yuǎn)鏡的口徑是2米，哈勃是2.4米，2021年發(fā)射的韋伯望遠(yuǎn)鏡是6.5米。在精測方面，望遠(yuǎn)鏡口徑是競爭力的重要因素，我們不占優(yōu)勢，但是在巡天方面，只要望遠(yuǎn)鏡的視場足夠大，就可以獲得很大的優(yōu)勢，而且可以覆蓋很廣的科學(xué)，所以我們選擇了做巡天。

既然做巡天，就需要望遠(yuǎn)鏡具備很大的視場，也就是一次能看到很大的天區(qū)。我們將巡天空間望遠(yuǎn)鏡的視場跟哈勃空間望遠(yuǎn)鏡兩個相機(jī)的視場進(jìn)行了比較，可以看到巡天空間望遠(yuǎn)鏡的視場是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡最大視場相機(jī)的350倍，觀測效率非常高。巡天望遠(yuǎn)鏡一般都會有很大的視場，在空間項目里，巡天空間望遠(yuǎn)鏡的視場是最大的。當(dāng)然，地面還有比它視場更大的項目。

做巡天研究的是什么？宇宙學(xué)是我的主要研究方向之一。在人類對宇宙的認(rèn)識里，現(xiàn)在有兩大謎團(tuán)，一個叫暗物質(zhì)，一個叫暗能量。暗物質(zhì)通常被認(rèn)為由某種粒子構(gòu)成，有引力的作用，可以吸引物質(zhì)。當(dāng)然，不同模型預(yù)測它可能具有不同的其他作用。

一般認(rèn)為，愛因斯坦的廣義相對論適用于暗物質(zhì)的引力作用。在引力透鏡這個現(xiàn)象中，如果背景星系和觀測者之間有一團(tuán)大質(zhì)量的物質(zhì)或者星系團(tuán)，它的背景星系就有可能被扭曲成一個弧狀，甚至一個環(huán)狀等等。那么，通過這種背景星系的形狀測量，我們可以測量或者描繪宇宙空間中暗物質(zhì)的分布。

▲基于引力透鏡信號測繪宇宙物質(zhì)分布，巡天空間望遠(yuǎn)鏡可以限制暗物質(zhì)粒子屬性，并將暗能量屬性測量精度提升1個量級以上（圖片：HST，M. Lovell）

星系本身也是物質(zhì)分布的一種追蹤體，我們也可以根據(jù)星系的空間分布和統(tǒng)計來研究宇宙的結(jié)構(gòu)。前面也提到，在不同的宇宙模型下，宇宙結(jié)構(gòu)的演化是不一樣的。在不同的暗物質(zhì)、暗能量模型下，宇宙膨脹的加速度和結(jié)構(gòu)增長的速度也都是不一樣的。

▲巡天空間望遠(yuǎn)鏡將構(gòu)建星系完備樣本，揭示其形成與演化規(guī)律，檢驗宇宙結(jié)構(gòu)演化理論，探究暗物質(zhì)和暗能量本質(zhì)

所以，通過對引力透鏡效應(yīng)的測量、對星系分布的測量統(tǒng)計，我們可以檢驗宇宙學(xué)模型，去揭示暗物質(zhì)、暗能量的本質(zhì)。同時，我們擁有如此大、如此完備的星系樣本，對星系本身的研究，包括它的形成、演化等都有很大的促進(jìn)作用。

攻關(guān)巡天相機(jī)的“視網(wǎng)膜”

已完成：30%//////////

對于巡天來說，我們不僅需要精密的光學(xué)系統(tǒng)，也需要一臺超大靶面的巡天相機(jī)把影像轉(zhuǎn)換成高清圖像。巡天相機(jī)實(shí)質(zhì)上跟手機(jī)或者普通數(shù)碼相機(jī)的機(jī)身一樣，接收光學(xué)系統(tǒng)的影像，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字化圖像的儀器。這臺巡天相機(jī)大約需要使用整個望遠(yuǎn)鏡70%的時間完成巡天工作，是這個望遠(yuǎn)鏡最重要的一臺終端。

▲巡天空間望遠(yuǎn)鏡

我本科學(xué)的是衛(wèi)星設(shè)計，所以對于技術(shù)方面非常感興趣。2010年，在我們論證巡天空間望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)目標(biāo)時，也開始組織隊伍論證它的技術(shù)方案，這一論就論證了五年。到了2015年，中國科學(xué)院光電所、上海技物所、西安光機(jī)所、南京天光所和我們（國家天文臺）的團(tuán)隊通過了擇優(yōu)，一起來研制這臺巡天相機(jī)。

下面是巡天相機(jī)的爆炸圖，相機(jī)最核心的一個組件就是它的焦面（通過鏡頭后光線準(zhǔn)確匯聚、能夠形成清晰影像的平面，此處指將影像轉(zhuǎn)換為電信號的探測器陣列及其支撐結(jié)構(gòu)），這個焦面的像素規(guī)模達(dá)到26億，而目前最大的空間天文焦面規(guī)模僅約10億像素。巡天空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射的時候，這臺巡天相機(jī)的焦面將成為空間天文項目里最大的焦面。

▲聯(lián)合總體：中國科學(xué)院國家天文臺、中國科學(xué)院光電所

參研單位：中國科學(xué)院上海技物所、中國科學(xué)院西安光機(jī)所、中國科學(xué)院南京天光所

這個規(guī)模同時也帶來了很多難題。可以想象，要在不到一米見方的尺寸里，在重量約束、功耗約束和散熱約束的條件下，實(shí)現(xiàn)一個這么大規(guī)模的焦面，同時具有非常低噪聲的電子學(xué)及其他配套，這是相當(dāng)困難的。

為了得到很低的暗電流噪聲，我們需要將焦面（紅圈所示）維持在-85℃的低溫條件下工作。因為焦面很大，所以冷量需求非常大，這也是難點(diǎn)之一。

此外，巡天相機(jī)在十年里大致要工作七年，是一個長壽命的設(shè)備，光快門就要開合將近70萬次，這也帶來了難點(diǎn)。

探測暗弱目標(biāo)需要巡天空間望遠(yuǎn)鏡具有很高的靈敏度，所以就需要探測器具有很高的效率和很低的噪聲，噪聲包括讀出噪聲和暗電流兩部分。這樣高性能的探測器在國際上已經(jīng)有成熟的產(chǎn)品，國內(nèi)此前還沒有研制過，但在工程總體的支持下，我們提出了自研——希望推動國內(nèi)高性能圖像傳感器技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)自主可控。事實(shí)上，我們跟國外生產(chǎn)商洽談時，的確也曾遇到過一些困難。

經(jīng)過七年的攻關(guān)，中電科44所（中國電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所）研制的紫外CCD（能在紫外線波段進(jìn)行有效感光和成像的電荷耦合器件）已經(jīng)完全滿足技術(shù)指標(biāo)要求。另外，長光辰芯的CMOS圖像傳感器攻關(guān)也取得了突破，產(chǎn)品將會在后續(xù)的一些項目中得到應(yīng)用。

▲左：中電科44所CCD 9.2k×9.2k 10μm

右：長光辰芯CMOS 9k×9.2k 10μm

我們團(tuán)隊的作用是什么呢？作用主要在于給探測器制定詳細(xì)的指標(biāo)體系，通用的指標(biāo)不能很好地覆蓋天文觀測的需求。另外，我們給探測器制定了測試標(biāo)準(zhǔn)，同時也給國產(chǎn)器件進(jìn)行了詳細(xì)的測試和反饋。經(jīng)過多輪迭代，研制單位最終完成了這次攻關(guān)。

事實(shí)上，中電科44所的紫外CCD在多項指標(biāo)上已經(jīng)超過，甚至是顯著超過進(jìn)口的CCD。以圖像均勻性為例，下面是在紫外波長270 nm下，進(jìn)口和國產(chǎn)的圖像對比。進(jìn)口的CCD由于背照工藝留下的痕跡，所以有一道一道的條紋，因此在均勻性這個角度來說，國產(chǎn)CCD要好上不少。

▲國產(chǎn)近紫外CCD暗電流、像元缺陷、響應(yīng)均勻性、量子效率、MTF等指標(biāo)（顯著）優(yōu)于進(jìn)口CCD

當(dāng)然，實(shí)驗室的測試是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。我們在國家天文臺興隆站80厘米望遠(yuǎn)鏡上面開展了天文實(shí)測，對比了國產(chǎn)CCD和進(jìn)口CCD拍攝的圖像，并對它的標(biāo)定進(jìn)行了一些分析。

▲左：國產(chǎn)CCD與進(jìn)口CCD拍攝圖像的視覺效果

右：相機(jī)研制與測試團(tuán)隊成員

結(jié)果，兩者效果的確相當(dāng)。這樣，通過各方的大力投入，解決了巡天相機(jī)探測器的問題。于是采用國產(chǎn)CCD和進(jìn)口CCD混裝，形成巡天相機(jī)的“視網(wǎng)膜”。

第一幅圖像的誕生

已完成：60%//////////

探測器攻關(guān)的同時，巡天相機(jī)的各個組件也在開展研制并陸續(xù)交付，最后進(jìn)行了整機(jī)的集成。現(xiàn)在研制的這個中間產(chǎn)品叫做鑒定件，并不是最后發(fā)射的飛行件，在發(fā)射之前，我們要用鑒定件做一系列的試驗，來充分驗證產(chǎn)品能否適應(yīng)空間的運(yùn)行，比如真空、高溫、低溫、發(fā)射的力學(xué)環(huán)境等等，同時，還要對它的性能進(jìn)行考核。

下圖是我們拼接焦面的鑒定件，上面可以看到顏色不一的探測器，探測器所優(yōu)化的波段不同，顏色也不同，其中有一部分是機(jī)械片，沒有電性能。

這個焦面主成像區(qū)規(guī)模達(dá)到了500 mm×600 mm，并且要求在-85℃低溫下的平面度優(yōu)于±30 μm。作為對比，我們頭發(fā)直徑大約50-100 μm。為了滿足拼接焦面低溫面形的要求，就需要在低溫下對其進(jìn)行測量。而且因為低溫，所以同時也必須在真空下面進(jìn)行測量，否則就會結(jié)霜、結(jié)露，損壞探測器，但現(xiàn)有的一些測量設(shè)備都無法在真空條件下工作。為此，我們專門自研了一套可在真空條件下使用的大行程非接觸式面形掃描設(shè)備，在真空罐里實(shí)現(xiàn)了巡天相機(jī)大尺寸焦面的低溫面形測量，確保了焦面拼接的精度。

研制過程當(dāng)中，有很多這樣的故事。沒有工具，我們就自己發(fā)明工具。沒有現(xiàn)成的方法，我們就得想辦法、發(fā)展新的方法并進(jìn)行驗證。

在下圖中，上述焦面已經(jīng)集成到了相機(jī)主體上。相機(jī)上部是光柵和濾光片，光柵安裝在兩側(cè)，位置較高，用來做光譜，中間五顏六色的是不同波段的濾光片。而焦面就在濾光片和光柵的下方，再往下是相機(jī)的主體結(jié)構(gòu)、電箱等。

▲濾光片與無縫光譜組件裝配到位

整機(jī)集成之后，就要開展多項試驗，例如真空罐內(nèi)做的熱平衡、熱真空、熱光學(xué)試驗。

▲光電所試驗現(xiàn)場

相機(jī)整機(jī)的集成在光電所完成。在研制過程中，會遇到各種問題，例如，要求相機(jī)讀出噪聲非常低，不超過5e-。集成前的測試顯示，焦面和電子學(xué)的讀出噪聲是4.5e-，完全滿足要求。但是集成后，進(jìn)罐之前的常溫測試中出現(xiàn)了干擾條紋，噪聲超過5e-，達(dá)到了6.3e-，這無法接受，而且條紋是隨機(jī)的，圖像處理也難以去除。

▲左：正常本底圖像，讀出噪聲4.5e-

右：本底出現(xiàn)干擾，讀出噪聲6.3e-

干擾問題很棘手，但必須解決，而時間又很緊迫，大家非常焦急。經(jīng)過仔細(xì)排查，我們發(fā)現(xiàn)，原來是焦面背后的加熱片形成了天線效應(yīng)，對它產(chǎn)生了輻射干擾，此外，還有部分電纜布局不太合理。這個問題從發(fā)現(xiàn)到定位、解決，前后花了三周的時間。當(dāng)然，這個過程中其他工作也在抓緊并行開展。

問題都排除之后，我們繼續(xù)將相機(jī)裝入真空罐進(jìn)行測試，下圖是關(guān)閉真空罐前巡天相機(jī)和測試設(shè)備的照片。圖中面對我們的是相機(jī)的濾光片和光柵，快門處于打開的狀態(tài)。

▲真空罐內(nèi)相機(jī)性能測試

下圖是巡天相機(jī)在低溫下輸出的第一幅圖像，我們叫它暗場，就是相機(jī)在完全避光的條件下，積分（通過延長曝光時間累積信號）了一段時間獲得的圖像。

▲整機(jī)首幅低溫圖像（暗場）

這幅圖像看似平平無奇，沒有記錄任何景象，甚至有些非考核器件的圖像呈現(xiàn)出奇怪的圖案，但是我們看到的時候特別振奮，因為稍作分析后，馬上就知道它的讀出噪聲以及暗電流都滿足指標(biāo)要求。在我們真正得到這個結(jié)果之前，雖然已經(jīng)做了很多器件級和組件級的測試，也很有信心，但沒有經(jīng)過整機(jī)低溫的測試，沒有最后的結(jié)果，就不能作數(shù)。但看到這幅圖像，我們心里的一塊石頭落地了。圖中綠色框標(biāo)出的是用于考核性能的CCD芯片。其他芯片一部分是機(jī)械片，圖像由電箱模擬生成，其余的是性能比較差的電性片，不作考核。

2024年11月份，我們交付了巡天相機(jī)的鑒定件。2025年2月份到5月份，在中國科學(xué)院長春光機(jī)所跟光學(xué)設(shè)施完成聯(lián)試。目前，我們正在開展巡天相機(jī)正樣的研制。

去看更廣的宇宙風(fēng)景

已完成：90%//////////

隨巡天空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射入軌的第一代觀測終端一共有5臺，除了巡天相機(jī)外，其余4臺是太赫茲譜儀、星冕儀、多通道成像儀和積分磁場光譜儀。太赫茲譜儀將對宇宙中的原子、分子譜線進(jìn)行觀測，星冕儀可以對系外行星直接成像。多通道成像儀和積分磁場光譜儀兩臺儀器集成為一體，前者將目標(biāo)天體分光三色同時觀測，后者將天體分割成很多單元，分別做光譜。

巡天空間望遠(yuǎn)鏡的載荷部分（即巡天光學(xué)設(shè)施）由中國科學(xué)院長春光機(jī)所牽頭研制，飛行器平臺（即巡天平臺）由航天五院負(fù)責(zé)研制。這臺望遠(yuǎn)鏡有不少特色和關(guān)鍵技術(shù)，例如光學(xué)系統(tǒng)采用了離軸三反的設(shè)計，即有三面反射鏡具有曲率。之所以采用這樣的設(shè)計，是因為巡天需要很大的視場，又要很高的分辨率，只有用三個反射鏡的自由度，才能將像差校準(zhǔn)到很好的水平，保證整個視場范圍內(nèi)都獲得很好的像質(zhì)。

▲針對巡天的光路：離軸三反設(shè)計

此外，光學(xué)系統(tǒng)采用離軸設(shè)計，副鏡在入射光路之外，所以副鏡和它的支撐不會對圖像產(chǎn)生影響。下圖就是一個例子，最左邊是巡天空間望遠(yuǎn)鏡的模擬像斑，中間是基于哈勃望遠(yuǎn)鏡的像斑提取的模型。

▲左：巡天空間望 遠(yuǎn)鏡模擬像斑

中：哈勃空間望遠(yuǎn)鏡模擬像斑

右：哈勃空間望遠(yuǎn)鏡實(shí)際觀測

哈勃望遠(yuǎn)鏡的像斑之所以會有十字形的星芒，是因為它的副鏡擋在光路中，副鏡的支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了這樣的衍射效果。在哈勃望遠(yuǎn)鏡的真實(shí)觀測圖像里，亮星的星芒就非常明顯。相比之下，巡天空間望遠(yuǎn)鏡采用離軸設(shè)計，像斑較為規(guī)則，沒有這樣的星芒，有利于星系形狀的精確測量。

巡天空間望遠(yuǎn)鏡是我國迄今為止規(guī)模最大、指標(biāo)最先進(jìn)的空間天文光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。工程師和科學(xué)家團(tuán)隊齊心協(xié)力奮斗了十余年。這支隊伍仍在不斷地壯大，現(xiàn)已經(jīng)達(dá)到上千人的規(guī)模。我們非常期望，這臺巡天空間望遠(yuǎn)鏡為我們對宇宙的認(rèn)知作出重要的貢獻(xiàn)。

這臺巡天空間望遠(yuǎn)鏡預(yù)期在近幾年內(nèi)發(fā)射。在其運(yùn)行的十來年里，它將是國際上唯一一臺大口徑的、覆蓋近紫外到可見光波段的空間天文望遠(yuǎn)鏡，兼具巡天和精測的能力。其紫外波段是一個重要的特色，有非常強(qiáng)的科學(xué)競爭力。

最后，下圖是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡累計觀測了百萬秒的一個超深場，里面的內(nèi)容非常豐富，有大量的各種形態(tài)的星系，甚至有的星系可能正在發(fā)生互相作用。

▲哈勃超深場UDF；3.3′×3.3′；1百萬秒曝光；435/606/775/850nm；10,000 星系

這樣一個宇宙風(fēng)景，用巡天空間望遠(yuǎn)鏡將會看得更多、更廣，我們也非常期待它能夠源源不斷地做出重大成果。謝謝！

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