载人空间站工程巡天空间望远镜。图片来源：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
导 读
在巡天的黄金时代，中国终于可以参与进来，第一台大型太空光学望远镜CSST的升空，或将带来影响深远的科学发现。
撰文 | 邸利会
在长春的中国科学院长春光学精密机械与物理研究所内，一个高约14米、长20米的大型真空罐及其配套光学测试系统正在建造当中。
“这个是非常壮观的，当然代价也是很大了，（建造）也非常麻烦，但为了不至于入轨之后才发现问题，所以最好在地面上就先验证整机的各项指标。” 中国科学院国家天文台研究员詹虎告诉《知识分子》。
詹虎的话引向一段著名的 “错误”。
1990年4月25日，哈勃太空望远镜进入到地球上方600多公里处的运行轨道。不幸的是，很快研究人员发现，哈勃有严重的成像问题，直到三年后，奋进号航天飞机将航天员送上去，问题解决后才开始了正常的观测。
显然，正在建造中的、中国第一台大型太空光学望远镜，不希望再犯前人的错误。
整机验证只是万里长征路上的其中一步。这台两米口径的大型光学望远镜，被称为载人空间站工程巡天空间望远镜（Chinese Survey Space Telescope, 简称CSST，亦被称为Chinese Space Station Telescope），预计在2024年前后发射进入近地轨道。届时，它将和中国空间站在同一个轨道上飞行，目前规划的运行期为10年。
参照国际上差不多同期发射的空间巡天望远镜——欧洲航天局的欧几里得（Euclid）和美国航天局的罗曼太空望远镜（Roman Space Telescope），CSST研制费用至少也在几十亿的量级。中国科学院国家天文台称，“CSST是我国载人空间站旗舰级项目，是我国迄今为止最大的空间天文基础设施，具有大视场、高像质、宽波段等突出特点，是我国天文科学迈向国际前沿的重大机遇。”
01 赶上巡天的黄金时代
此前，没有谁可以想到，中国可以拥有自己的旗舰级太空望远镜。它的诞生要从建空间站说起。
1986年，中国被美国等国家拒绝参与国际空间站。1992年，中国决定发展自己的载人空间站，代号921工程。
921工程包括了很多系统，其中第二个系统，即空间应用系统由中国科学院空间科学与应用总体部（以下简称 “总体部”）来规划。专家们一直在思考，中国空间站上应该开展什么样的科学研究。
2009年12月，总体部在香山开了一系列的会议，探讨空间站的科学研究方向和所需的实验装置，会上讨论了建造一台大口径的空间光学望远镜的想法。来年4月，总体部在国家天文台专门研讨科学目标，国家天文台陈建生院士和胡景耀研究员提出，可以利用空间光学望远镜做巡天。一般来说，天文观测分为普查和精测。巡天可以理解为是对大范围的宇宙天体进行普查。
巡天的提议得到了总体部顾逸东院士的大力支持。随后，中科院国家天文台、上海天文台、紫金山天文台、高能物理研究所，北京大学，中国科学技术大学等单位对空间站大口径光学望远镜的科学目标进行了论证；总体部组织中科院长春光学精密机械与物理研究所、南京天文光学技术研究所、上海技术物理研究所、国家天文台、紫金山天文台等单位开展了望远镜及观测终端的技术方案论证。
与此同时，美国在2010年也制订了10年的天文研究规划，在地基和空间的推荐项目中，排名第一的都是做巡天，包括了著名的时空遗迹巡天（Legacy Survey of Space and Time, LSST），现更名为薇拉·鲁宾天文台（Vera Rubin Observatory）和大视场红外巡天望远镜（Wide Field Infrared Survey Telescope，WFIRST），现更名为罗曼太空望远镜。
2011年初，利用空间站光学望远镜开展巡天的报告提交给了总体部，年末通过了望远镜的技术可行性评审；来年的3月初，空间站任务规划委员会的100多位专家对空间站上的科研项目进行评议打分，CSST得到了载人航天工程的优先支持。之后，经过望远镜多方案择优和经费评估，2013年11月，CSST正式立项。
在最初的计划中，CSST是空间站的组成部分，安装在实验舱II上。之后，为了改善CSST观测运行的条件，专家们探讨了多种可能，苏定强院士和张柏楠总师先后提议，将其改为独立的空间望远镜，与空间站在400公里高的轨道上 “共轨飞行”。这一提议得到了工程总体的支持，并于2014年初启动了论证工作。未来，在常规运行期间，CSST会定期或根据需要与空间站对接，补给燃料和进行维护、维修与升级。
对老一代天文学家、83岁的陈建生来说，开展大规模巡天一直是个梦想。他是从使用手摇计算机、暗室里冲底片的年代走过来的。几十年来，随着探测器、计算机、网络、空间、大数据、人工智能等技术的长足进步，他期待的太空巡天的黄金时代正在到来。
“对于地面巡天，上世纪八十年代时我们错过了机会，后来美国斯隆（SDSS）望远镜做了，现在LSST也将开始做。但是空间上的光学巡天还没开始做，而空间巡天又太重要了。因为它可以达到比地面巡天好一个数量级的像质，所以如果有机会能够做空间巡天，意味着中国天文进入了一个非常了不起的时代。” 陈建生说。
如今，巡天已经成为了天文学角逐的热点。
地面巡天的代表、斯隆望远镜已经运行了20多年，绘制了最为精确的三维宇宙地图，获得了三分之一天空的深度多彩图像，超过300万天体的光谱，并免费分享给全世界，在宇宙学、类星体、星系、银河系、恒星、太阳系、系外行星等领域取得丰硕的成果。同样是地基望远镜的薇拉·鲁宾天文台，将在2022年底在智利的安地斯山顶开始运行，开展时空遗迹巡天。
而空间巡天方面，欧洲航天局称，欧几里得太空望远镜将在2022年底从法属圭亚那的欧洲航天中心发射；美国航空航天局的罗曼望远镜预计在2020年代中发射。俄罗斯和德国已经发射了Spektr-RG太空望远镜，集中在X射线。中法合作天文卫星——空间变源监视器（SVOM，X射线、伽马射线及光学）和中科院空间先导项目爱因斯坦探针卫星（EP，X射线）计划于2023年发射。空间望远镜相比地基望远镜，由于不受地球大气的影响，可以进行更多波段的观测。
“CSST是两米的口径，比哈勃小一点，如果和哈勃一样只做小视场的精细观测，很难超越哈勃，所以当时考虑空间站上做什么样的大科学的装置，在科学上才有亮点，才能超过人家，巡天正好是一个很好的方向。巡天做的好，不仅是有口径，还得视场大。” 詹虎说。
CSST有超过哈勃300倍的宽广视场，视场大意味着一次观测能够看更大的范围。
具体来说，在10年的运行期内，CSST计划对17500平方度（整个天空是41253平方度，17500平方度占整个天空的42.42%）的中高银纬、中高黄纬天区进行多波段成像和无缝光谱观测，并对遴选的天体或天区开展精细观测研究，将获取数十亿恒星与星系的测光数据和数亿条光谱，并通过直接成像搜寻和研究太阳系外行星。
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