巡天空间望远镜示意图。中国空间站工程巡天望远镜科学工作联合中心官网
哈勃太空望远镜拍摄的遥远星系。 图源NASA官网
引力透镜成像原理。
天上的星星有多少颗?它们是如何运行的?背后有怎样的规律?为回答这些问题，人类观测星空已有上万年。得益于技术的进步，人类观测到的星空更加清晰、璀璨，对宇宙规律的认识也越发全面。
随着我国天宫空间站逐步投入常态化运营，中国空间站工程巡天空间望远镜(英文简称“CSST”)的发射与部署工作也提上日程，根据最新版的中国航天白皮书，CSST计划于今年发射，明年前后投入科学运行。作为天宫空间站的组成部分之一，CSST将成为我国首次设置于地外空间的大型可见光天文望远镜。
CSST这颗“飞天巨眼”将以何种方式观测星空?它将怎样帮助我们探索宇宙的奥秘?记者采访了多名负责该项目的天文学家，就上述问题进行解读。
01
CSST较哈勃望远镜拥有哪些新本领?
视场为哈勃的300多倍 看得快、广、深，质量也很高
CSST提前设计好观测计划
人在灯光璀璨的城市里观察天空，往往只能看到寥寥数十颗星星，这是因为夜空受到了人造光的干扰。若想进行更有效的天文观测，则需要前往人口更稀少的区域，使用更先进的观测设备。
如果将望远镜发射到太空，不仅能尽可能避开人类活动的干扰，还脱离了大气层这一造成星象扭曲的“罪魁祸首”，更重要的还可以获得全电磁波段天体信号。因此，自上世纪末至今，全球多国展开了研制太空光学望远镜的热潮。其中广为人知的就是1990年进入地球轨道开展观测的哈勃望远镜。
同样是太空中的两米级光学望远镜，CSST较哈勃望远镜拥有哪些新本领?
该项目科学数据处理系统主任设计师、中国科学院国家天文台研究员刘超介绍，哈勃望远镜采用的是通用型设计，它几乎全部时间都用于满足不同天文学家要求的精细观测，这决定了它“看细不看多”的特点。
为了和前者有所区别和提升，同时也更好地满足对大量巡天数据的需求，CSST的工作模式与之相反，它提前设计好了观测计划，完成观测计划后会将数据上传至数据库，科学家们可根据自己的研究需要选择合适的数据下载分析。
对比哈勃望远镜，CSST在观测的天区范围上作出了突破，它通过扩大视场提高巡天效率，视场达到了哈勃望远镜的300多倍，一次拍照可以获得大约2个月球直径大小天区内天体的信息。“哈勃望远镜所携带的高级巡天相机视场较小，只能开展小规模的巡天观测。CSST作为巡天望远镜的科学产出要远远好过通用望远镜。”刘超说。
CSST兼顾大视场和精细结构
“巡天”是一种对天空区域进行逐块无差别扫描的系统观测方式，就像是对天空进行“普查”。人类借助这种类似于拉网式的观测方式，来发现未知天体。
视场即望远镜所能看到的天空范围，它代表着摄像头能够观察到的最大范围，通常以角度来表示，视场越大，观测范围越大。
“以拍摄仙女星系为例，哈勃望远镜用数年拍摄了1/4的区域。如果用CSST，只需要几天时间就可以拍完整个星系，连同它的外围、郊区、远郊区范围都能拍完，拍摄到的细节都和哈勃望远镜相当，这也是它巡天质量高的体现。”刘超说。
CSST能拍得多清楚?“目前，世界上最大的天文数码相机拥有32亿像素，CSST有25亿像素，排在世界第二。”刘超说，“CSST还具有太空拍摄的优势，能够比地面上的设备拍摄得更精细。可以说兼顾了大视场和精细结构。”
CSST还被设计为与天宫空间站共轨运行，这与其它太空望远镜大有不同。CSST将以天宫空间站为太空母港，平时观测时远离空间站并与其共轨独立飞行，在需要补给或者维修升级时，主动与天宫空间站交会对接。
“哈勃望远镜在维修时，需要派出航天飞机飞到它身旁，让航天员靠近维修。”刘超说，CSST则是自行飞至空间站对接，航天员再给CSST加入推进剂、升级相机，这种更换设备方式是较为容易的，成本更低，处理时也更从容，“CSST和天宫空间站共轨的合作模式很先进，也是面向未来的”。
02
CSST有望帮助科研人员开展哪些研究?
太空中的“多面手” 为天文学研究“绘星空”
帮助天文学家开展多种类研究
“宇宙是如何诞生的?星系是如何形成的?恒星在诞生时有何规律?太阳系外行星长什么样?这是科研人员致力通过CSST解答的4个主要问题。”刘超说，只要获得足够的数据，CSST有望帮助天文学家开展多种类的研究。
刘超借用其团队此前进行的一项研究举例。
“恒星初始质量函数在宇宙各处及各个演化阶段是普适不变的。”这是天体物理学的一条“经典假设”。30年来，尽管许多迹象表明该假设存在争议，但始终缺乏有力的观测数据进行佐证。
1月19日，《自然》发表了一项刘超团队等我国科研人员合作研究的重大成果。该研究认为，随着恒星金属元素含量和年龄发生变化，恒星初始质量分布规律也会发生显著变化。这一新发现有力挑战了上述“经典假设”。
作为论文的通讯作者，刘超介绍，这一发现将刷新人类对宇宙基本概念的认知，对天体物理多个领域的研究都将产生深远影响。
对该项研究起到关键帮助的，正是一组巡天观测数据。
据了解，相关研究采用了我国重大科技基础设施郭守敬望远镜(LAMOST)超大光谱数据样本优势，同时结合了欧洲空间局盖亚(Gaia)卫星数据。得益于这些先进设备的观测结果，天文学家能将更大样本量的观测数据导入模型，更清晰地看到恒星质量分布规律是如何随着其它物理量变化的，从而有信心推翻“经典假设”。
刘超介绍，CSST和郭守敬望远镜的主要使命都是巡天。未来，借助CSST，天文学家有望揭秘恒星诞生过程中的更多物理规律。
测量暗物质在宇宙空间中的分布
CSST科学数据责任科学家、中国科学院国家天文台研究员李然告诉记者，CSST不仅能帮助科学家看到更明亮的星空，还将把触角伸向那些看不见的疆域——宇宙中的暗物质。
“构成我们可见世界的原子，实际上只占宇宙总质量很小的一部分，其余的很大一部分由暗物质构成，却无法被直接观测到。”李然说，CSST的核心任务之一就是通过引力透镜效应测量这些暗物质在宇宙空间中的分布。
刘超介绍，通过捕捉引力透镜现象，能找到暗物质的蛛丝马迹。引力透镜效应指的是物质(包括暗物质)引发的时空弯曲，导致其背景天体产生的光线发生扭曲，从而像穿过透镜一样发生形变。
“这需要借助CSST对遥远星系进行非常精确的测量，我们的最终目标是利用CSST绘制出一张‘暗物质星图’。”李然说。
此外，CSST还配备了太赫兹模块、多通道成像仪、积分视场光谱仪和系外行星成像星冕仪4个精测模块，有能力展开多项观测任务，堪称太空中的“多面手”。
03
CSST能为大众带来怎样的宇宙图像?
25亿像素记录太空 观测数据面向全世界开放
可拍到不同距离的星系图片
“醉后不知天在水，满船清梦压星河。”唐代诗人唐珙写出了古人眼中浪漫的银河之美。
如蓝色大理石般的地球，光芒闪烁的星系，绚烂绮丽的星云……对普通人来说，这些图像直观地呈现了宇宙的浩瀚、神秘和美丽。CSST能为大众带来怎样的宇宙图像呢?
刘超介绍，CSST携带的巡天相机一共有25亿像素，其中60%用来直接成像，可以拍出十分漂亮的星空图片。
不过，CSST拍出来的图片和韦伯望远镜会有所区别。“韦伯望远镜在红外波段工作，CSST则是在近紫外和光学波段工作，它呈现的大量细节是与韦伯望远镜完全不同的。”刘超说。
李然说，CSST可以拍到不同距离的星系图片，“近邻星系因为其角直径更大，在CSST镜头下的图像将尤其精彩”。
此外，CSST精测模块中的多通道成像仪能同时拍摄三个颜色，即同视场三色分光。
“可以把它看作是一个彩色相机。”刘超解释，一般天文观测都是单色相机，只能用一个滤光片先拍一种颜色，再换滤光片拍另一种颜色。与之对比，CSST多通道成像仪同视场三色分光的本领，让它在拍摄效率上有所提升。
“多通道成像仪在拍摄变化比较快的天体时非常有用，如太阳系中会翻滚的天体，因为它可以得到瞬时的颜色。”CSST巡天光学设施责任科学家、中国科学院国家天文台研究员詹虎说。
或将贡献展现天体细节的彩色图片
刘超提到，多通道成像仪观测到的天区视场不大，但是它比巡天模块更精细，将来可能贡献很多能展现天体细节的彩色图片。这些彩色天体图片带给普通人的主要是科普和观赏价值；对科学家来说，则能帮助他们探索时间轴上的宇宙。
除了巡天工作以外，CSST会有多少工作时间留给科学家们申请一般观测?刘超介绍，CSST主要的时间都将用于巡天观测，“现在还无法明确自由申请观测具体的时间分配占比，大概10%—20%的时间会留出来，供天文学家申请开展巡天之外的观测项目”。
将来，CSST的数据也会向全世界开放。“CSST数据的开放模式将类似郭守敬望远镜一样，按照数据政策规定，定期向全世界科学家释放数据。”刘超说，就算不是天文学家，按照流程注册账号后也能拿到想要的数据。这对很多资深天文爱好者来说，也是一座“金矿”。
专业名词
●巡天:作为一种对天空区域进行逐块无差别扫描的系统观测方式，就像是对天空进行“普查”。人类通常借助这种类似于拉网式的观测方式来发现未知天体。
●引力透镜效应:(暗)物质引发的时空弯曲，导致其周边天体产生的光线发生扭曲，从而像穿过透镜一样发生形变。通过捕捉这一现象，能找到暗物质的蛛丝马迹。
●视场:指望远镜所能看到的天空范围，即摄像头能够观察到的最大范围，通常以角度来表示。角度越大，观测范围越大。
采写:南方日报记者 段江含 泠汐
