洞见对谈实录｜中国离自己的「哈勃」「韦布」空间望远镜 ...

昀离936

时间：1 月 1 日晚 8:00
主题：「中国离自己的『哈勃』『韦布』空间望远镜还有多远？」
洞见嘉宾：知乎天文学话题答主、中国科学院国家天文台研究员 @Flyingspace ，对谈中国科学院国家天文台副研究员李海宁

<hr/>演讲正文

大家好，我是知乎答主苟利军，目前是中国科学院国家天文台的研究员，今天我想和大家分享一下有关于空间望远镜的观察，以及和大家一起聊聊——2023 年中国在这一领域当中有什么样的可能性。
在开始演讲之前我想先请大家看一组图片。




这些震撼的彩色图像是由韦布望远镜拍摄而来的，这个望远镜的名字，我想稍微有关注天文话题的朋友都有所耳闻，算得是一个「网红」的望远镜。当然了它也是有着非常瞩目的成绩，记录下了迄今为止人类看到的最遥远最清晰的宇宙图像。我想研究宇宙的目的，就是想「看清楚」宇宙当中的天体了解我们这个宇宙的过去。


韦布有这么多亮眼的成绩的核心，依靠的就是我们今天的主题空间望远镜技术的发展。而达到这个成绩并不是一蹴而就的，它是经过了许多技术的迭代和升级。无数天文学家的前赴后继才形成的。


1965 年天文学家斯皮策被任命为一个科学委员会的主任委员，委员会的目的就是建造一架空间光学望远镜。这就是我们所知道的后来在 1990 年 4 月 24 日发射的哈勃空间望远镜。韦布望远镜作为哈勃望远镜的「升级版」，不仅仅是望远镜口径变大了，更重要的是借助红外的观测功能它看得更远了。


有人做过一个探测能力的对比哈勃望远镜在经过不断的升级之后，可以探测到距今132 亿年左右的天体，而韦布望远镜可以探测到距今约135 亿年的天体。我们知道就算宇宙大爆炸距今也不过 138 亿年左右。


上个世纪 60 年代因为美国的阿波罗计划比光学能量更高的 X 射线天文学诞生了。从第一个 X 射线望远镜的发射升空，到第一个光学空间望远镜哈勃望远镜的发射升空，这之间国外花了整整 20 年的时间。那我们中国的表现如何呢？确实我们的起步算不上早但进步确实是让人骄傲的，2017 年的时候我们发射了第一颗，属于自己的 X 射线卫星，尽管到现在为止我们暂时还没有发射中国自己的光学空间望远镜，不过这一切很快就会变成现实。


我们知道中国已经在 2022 年完成了天宫空间站的初步建设。接下来为了开展深空观测我们会在 2023 年年底左右，计划发射专门的巡天光学舱平台，可以说伴随着巡天望远镜的发射，我国将真正开启光学空间望远镜的新的纪元。
中国计划发射的空间望远镜，它的主要任务就是进行巡天观测。


我们这个望远镜的口径达到了 2 米，虽然口径没有韦布望远镜那么大，但是已经实现了与哈勃望远镜齐平的一个目标。在视场上也比哈勃望远镜大了 300 倍左右。根据计划巡天光学平台将由长征五号火箭搭载入轨，计划在太空当中停留 10 年左右。


我们的巡天望远镜有很多技术上的提升，当年的哈勃望远镜每次都派出航天飞机进行维修，这是非常不便的。但我们的巡天光学平台，将和空间站在同一轨道一前一后的飞行，当它需要补给或者维修升级的时候，巡天空间望远镜就主动的会跟空间站进行对接，然后进行补给，也可以通过航天员的操作对后端的仪器以及前面主光学系统的一些组件进行更换升级，或者有的可以运到实验舱内进行维修，这是非常重要的技术进步。


除此之外，中国的巡天望远镜的特点，它就是看得深、看得广，它的广度是哈勃望远镜的 300 倍以上，它装备了一个视野极为宽阔的相机，视场达到了 1.1 x 1.2 平方度，巡天空间望远镜在整个巡天模式之下，它曝光的时间约为 150 秒，对于每个巡天天区，会进行两次的曝光，总共曝光的时间为大约 300 秒，大约 5 分钟左右，这意味着什么呢？在如此短的时间里就可以获得低至 26 星等左右的天体图像，这比我们人眼能够看到的最暗的恒星还要暗上一亿倍左右。


不过对于第一次发射光学空间望远镜的中国人而言，巡天望远镜无疑是一项复杂而艰巨的任务，拿「前辈」哈勃望远镜做一个比较，它在发射之初，因为镜面磨制的问题而让其观测性能大打折扣，使得人们对于其非常的失望。所以在 1993 年的时候，我们知道派出了宇航员进行维修，而之后又经过多次升级，从而达到了其观测的目的。对于中国首次发射的光学空间望远镜，可以想象其制作的难度其实是不小的。
从望远镜本身到携带的设备，都有很多的机构参与研制。而后续的观测和科学数据分析，对于第一次从事如此大规模的太空光学空间望远镜的中国研究人员而言，同样也是具有挑战性的。那么话说回来，这么艰巨这么复杂，我们为什么要做这件事呢？其实这个问题之前也有人问过我，这是因为相比较地面望远镜而言，空间望远镜很自然地有着其一些独特的优势。


天文学家斯皮策《在地球之外的天文观测优势》一文当中提到了，在太空当中的望远镜，有两项优于地面天文台的性能。首先呢角分辨率，也就是说物体能够被分辨的最小分离角度，角分辨率的极限将只受限于衍射而不是由造成星光闪烁、造成湍流的大气所造成的。此外在太空中的望远镜，可以观测到被大气所吸收殆尽的红外线或者紫外线空间观测有着很大的优势。而发射空间望远镜，是深入了解宇宙的基础，因此我们中国人对于空间望远镜的自主探索也从未停止过。
巡天空间望远镜的升空对于天文学正处于发展期的中国而言意义是非常重大的，我们不断寻找弯道超车的机会，或许巡天望远镜发射就是一个起点，它的观测，不仅仅有可能帮助我们回答这些问题，更重要的是这将是我们自己深入了解宇宙的第一步。
2023 年中国巡天空间望远镜即将被送入轨道，在巡天望远镜的黄金时代，中国终于可以参与进来，我们自己的巡天望远镜的元年将被开启。


哈勃望远镜和韦布望远镜，让我们看清了宇宙的一角。而我们的巡天望远镜，将给我们带回宇宙的全貌。我们在追赶，巡天空间望远镜也仅仅是我们的第一步，我们的想象不止于此，我们之后还要建设自己的「韦布」望远镜，不过还有很长的路要走，千里之行，始于足下，让我们加油。欢迎大家关注我的知乎账号 flyingspace，新的一年我们一起探索宇宙的奥秘，谢谢大家。
<hr/>苟利军x李海宁对谈

主持人：好的非常感谢苟利军老师精彩的分享，接下来呢我们对谈环节我们要请出中国科学院国家天文台副研究员李海宁老师，我们一起来探讨一下，李老师好。
李海宁：主持人好，苟老师好。
主持人：刚才苟老师的分享您听了之后，您说一下您的感受呗。
李海宁：其实我觉得苟老师在演讲的时候传达了很多，不仅仅是跟我们分享了很多科学上他的这个洞察，还有一种我感觉到一种作为中国天文人的情怀，就无论是作为整个天文界的人对于韦布这个特别刷新了我们对于宇宙观察认知的这么一个设备，它的新发现的一种激动的感觉，同时也很好的展现了我们中国天文人对于我们未来马上要这个上天的 CSST， 我们自己的巡天望远镜的一个期待。


主持人：那我们的巡天望远镜究竟能看到什么，和韦布相比有什么样的不同呢？海宁老师能跟我们说一声。
李海宁：韦布它除了口径大之外，它有一个比较特别的点它是在红外波段，但是我们自己的这个 CSST 啊，它主要还是在光学波段来工作。但是就从这点上来说它跟哈勃是比较像的，它是一个光学的空间望远镜，无论是口径还是波段，但是它跟哈勃有个很大的不一样，我们是一个你也说的是个巡天式的望远镜，所以我们更适合做的是这种，在大的天区面积里面对这种海量的各类天体做这种扫描式的来观察他们、观测他们。所以不同于哈勃就是对于这种比较有限的天区的有限的天体做深入观测，我们可以从这种大样本统计性质上面给出非常多的很有趣的、很重要的这种天体的整体的统计性质，还有它的演化规律上的一些研究。当然肯定也会结合我们整个中国本身天文学家各个团队的一些研究的特长，我们会制定一些比较核心的研究目标，但是据我所了解就是整个 CSST基本上把我们现在大家所关心的，比如说这个两暗一黑，还有就是整个这个从遥远的星系，到我们自己的这个家园银河系的一个演化结构等等特征。包括我们这个太阳系里面小天体的探测，都已经涵盖在里面了。然后当然我们也研究技术团队啊，他们也设计了一些比较有特色的仪器，来针对其中某些特殊的科学目标会设计些特殊的仪器。


主持人：那想问一下苟利军老师，我们其实前几年大家也知道这个中国天眼 FAST，应该说非常非常的火，频频的上热搜。我们已经有了天眼 FAST 的情况下这个再去花这么大精力去做巡天，它的意义在哪里?它和 FAST 之间的区别在哪?
苟利军：最大的一个区别，就是说它们工作的这种波段是完全不一样的。比如说我们肉眼可以看到的这种区域，我们称之为叫做可见波波段，其实这可见波是电磁波上边一个非常狭小的一个波段，除了所谓的可见波之外呢，我们还有比如说就像我们非常熟悉的无线电波，这也是那个 FAST 工作的一个波段。那除了 FAST 工作波段，还有可见波这个波段红外的波段比如说韦布它就是在红外，还有比那个能量更高一点的我们称之为叫做紫外，甚至于比如说 X 射线、伽马射线，所以的话电磁波它是一个非常宽广的波段，我们现在在整个波段当中，试图都制造出来去探测相应的这种天体。我们现在可以用天眼去探测宇宙当中的无线电波，或者说，我们天文当中称之为叫做射电的这种信号，在光学波段我们可以利用光学的这些望远镜，利用红外的望远镜去探测，但是很遗憾的是在红外波段呢，我们现在至今还不能制造出来非常精密的用于天文观测的这种探测器。这也是就说天文学当中一个非常大的这种难点，这是难点我们未来也攻克的一个方向。


主持人：那么有了 CSST 之后呢，我们国家是否还需要去发展那种地基的这种光学探测器，您觉得还有这个必要吗？
李海宁：非常非常有必要，我们在有了巡天式的这种望远镜之后。你一定会有一些意料之外的发现，它可能会发现候选体但是你需要去证认它，或者去进一步研究它的物理性质。那你一定会需要大口径的望远镜对它做这种后续的高精度、高分辨率的观测。但是比如说这个我们需要一个 10 米口径的光学望远镜，那么显然可能在地基上实现的这种可行性就要比空间要大很多。而且实际上我们中国的这个地面的光学望远镜的发展相对于整个国际上的水平来说是还是有相当大的差距的。像我们现在国内的通用型的光学望远镜，大概最大的是 2.4 米的望远镜，但是国外现在已经开始建造 30 米级的，这个光学口径的甚大口径望远镜。所以你可以想象就是苟老师刚才也提到，你把一望远镜当成一个脸盆你来装水，你有多大的脸盆你就能装多大的水，也就是说你的口径越大，你能看到的这个天体就能看到更暗弱更遥远的天体。对于近一点天体，你也能在短时间内看的更准确更细致。所以呢其实我们国内也是在筹备这个 6 米及以上的光学望远镜。因为这个真的是，虽然我们可能没有办法从 2 米走到 30 米，但是这个中间的差距是一定要缩小，不然可能后面我们有很多的后续的研究观测，是没有办法靠我们自己的设备来进行。


苟利军：我挺认同的，就是说，这有可能就不仅仅是对于我而言，或者对于她而言，几乎问所有的人都会有同样的回答。你比如说我们要到太空里面去肯定是不容易的对吧。所以的话，首先我们要重点发展这个地基的望远镜，与此同时我们肯定也要发展地面上的一些望远镜，其实已经发展的非常大了。我们中国比如说投入运行的就她刚刚提到的比如说云南的 2.4 米的，那现在世界上最发达的已经达到了 10.4 米，所以的话我们之间，其实差距非常大了，我们这个差距有多大呢？在美国上个世纪初的时候他其实就已经达到了 2.5 米，所以的话我们这个差别跟国外的先进的水平相差了将近一个世纪。很高兴的是有一些领域当中，我们还是取得了不少的进步，我们并不是（差距）特别大，因为我们知道中国的航天水平已经可以说非常先进了，进入到所谓的第一行列了。因为我们在前几年发射到了火星的这种探测器，对吧，也是非常的成功，那依靠这样的技术我们就接下来准备要把所谓的 CSST，中国的第一架的空间望远镜发射到太空站里面。我相信就是说地球上我们的科研人员在不断的努力，比如说争取早一点完成。
主持人：很多知乎的网友都很感兴趣啊，国家天文台的研究员，所研究的这个天体，究竟是有哪些？你们研究的这些课题或者观测的这些星系，然后未来就是怎么为我们的科技发展，或者是民用或者生活这方面能做出一些怎样的改变呢？


李海宁：这种问题真的是我们又爱又恨的问题啊，我觉得我自己本身做的这个研究过程当中给了我一个很奇妙的感触。假定我们现在宇宙大爆炸理论是正确的，那就是所有的这个物质我们把它打散成原子的结构，所有的这些原子其实都是在宇宙大爆炸的时候产生的。所以你可以理解成我们整个人里面，假定你现在可以算我们一个 100 斤的人身体里面有多少的这个氢原子，这个氢原子其实全部都是从宇宙大爆炸的时候来，所以我们来了解宇宙最初的时候，发生了什么事情，是直接关乎我们如何形成了，有这个生命的这些化学元素也好，我们整个地球太阳系这个这个整个环境是怎么来的。其实这是没有办法分开的，不是有一句名言叫做这个，我们都是星辰。就我觉得这句话对我来说它不只是一句「鸡汤」，它是我从科学研究里面得到的一个实实在在的科学道理。
主持人：是的，对于宇宙的探索是人类千百年来不断进步，我们的动力，所以人类不停的在仰望星空，同时我们也在脚踏实地。好的非常感谢苟利军老师，感谢海宁老师的分享，谢谢你们。
李海宁：苟老师再见，主持人再见。
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时代在前行，思想永无边界。
祝大家新年快乐，新的一年，我们一起「洞见」未来。

飞儿506

光学部件，精密仪器与光刻机差不多，以目前技术，中国还没办法做出来。

扬帆46

希望能早日发射升空。

love清晨叶

光学部件，太难得了