《科学通报》
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这架望远镜将与中国空间站“比翼齐飞”“守望相助”
2021-11-19 13:48:00近20年来，以斯隆数字巡天(SDSS)为代表的国际巡天项目取得了令人瞩目的成果，开启了以天文观测精确检验和探索基础物理理论的新篇章。在此背景下，中国载人航天工程巡天空间望远镜(CSST)也应运而生，预计2024年前后投入科学运行。
CSST在轨运行效果图(中科院长春光学精密机械与物理研究所供图)
我国载人空间站已开始建设，它将成为一个国家级实验平台，支撑空间科学与应用的前沿研究。2009年12月，中国科学院空间科学与应用总体部组织召开了一系列研讨会，探讨空间站的科学目标与研究方向，CSST项目就此诞生。经过两年的论证，在空间站实验舱II上装载一架2 m口径的光学望远镜进行巡天观测和太赫兹谱线巡测的计划得到了广泛的认可。2012年2月底至3月初，经空间站任务规划委员会评议推荐，该项目获得工程总体的优先支持。翌年4月，CSST完成了多方案择优，于11月正式立项。
在当时的方案中，CSST与实验舱II直接相连，因此，空间站组合体的姿态变化、结构形变以及各种振源对其形成的扰动，都会使凝视观测的像质严重退化。所以，需要采取一系列主动和被动的措施来消减扰动对观测的影响。这些措施的技术难度较大，存在一定的风险。此外，空间站周围可能存在的污染环境和颗粒物、空间站大致对地定向的姿态、其结构对观测方向的限制，以及舱体和太阳帆板等各处表面产生的杂散光等因素，都不利于天文观测。
为了改善CSST观测运行的条件，中国科学院和航天五院多位专家先后提议将其改为独立的空间望远镜，并于2014年初启动了论证工作。经过一年多的论证，工程总体批准了CSST与空间站共轨独立飞行的方案。基于此方案，CSST在常规运行期间与空间站保持一定的轨道相位差，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。
为了进一步提升CSST的科学效益，在工程总体的支持下，总体部于2018年4月启动了新模块的论证，其中三项建议通过遴选，获得批准立项。至此，CSST配备了5台第一代仪器：巡天模块、太赫兹模块、多通道成像仪、积分视场光谱仪、系外行星成像星冕仪。
1) 巡天模块将以接近哈勃空间望远镜(HST)的角分辨率，获取约17500平方度天区的多色成像数据、同样天区的无缝光谱数据和深场观测数据，波长覆盖255~1000 nm(部分视场0.9~1.7 μm)。
2) 太赫兹模块工作于0.41~0.51 THz频段(590~730 μm)，将开展银河系内及近邻星系的分子谱线巡测。
3) 多通道成像仪对约50平方角分的视场分光三色，实现3个滤光片的同视场同时观测。
4) 积分视场光谱仪对二维图像中的每一个空间分辨单元都可采集光谱信息，是研究近邻星系和黑洞周围环境及其物理过程的利器。
5) 星冕仪将在可见光波段实现对系外行星10–8以上的高对比度直接成像观测研究。
在科学准备工作方面，CSST论证初期对科学数据处理(子)系统作了初步的规划，该系统于2020年底完成了立项程序，研制工作已经全面展开。与此同时，CSST科学工作委员会根据广泛征集的研究课题，梳理和规划了7个研究方向共24个课题，包括宇宙学、星系与活动星系核、银河系与近邻星系、恒星科学、系外行星与太阳系天体、天体测量和暂现源与变源。这些课题已于近期立项，由CSST科学工作联合中心管理，正依托北京大学科学中心、国家天文台科学中心、长三角科学中心和大湾区科学中心开展研究工作。
巡天观测是CSST在轨运行最重要的一项工作，在其10年运行的初步规划中，预计需要累计约7年的时间完成。同样地，巡天数据处理和相应的科学研究工作也是科学数据处理系统和研究课题的重点。
观测宇宙学研究需要大量的河外天体样本，所以CSST的巡天观测以恒星密度和黄道光背景都较低的中高银纬、中高黄纬天区为主。目前任务规划中，CSST巡天包括四部分：17500平方度多色成像观测、与之同天区的无缝光谱观测、400平方度的多色成像深场观测、与之同天区的无缝光谱深场观测。其中，极限星等的计算采用了HST平均黄道光背景的水平。比400平方度深场深1个星等以上的9平方度深场观测、低银纬天区观测、微引力透镜观测以及太阳系天体的观测计划正在论证中。
由于地球和太阳对近地轨道观测条件的影响，CSST观测方向的序列较为随机，难以保证各波段有序地覆盖每一个方向，也难以设定每个方向、每个波段的重复观测时间间隔。因此，如果按常规的时域研究项目的要求来考量，CSST巡天缺乏优势，但是CSST必然会观测到大量的变源、暂现源和移动源。如何利用CSST巡天数据，或者将CSST与其他巡天项目相结合，识别和研究这些天体，值得深入地探讨。
巡天编排策略对观测运行进度有很大的影响，目前正在针对观测需求进行优化。
CSST在轨运行10年期间与空间站有4次计划中的停靠。现有的观测编排仿真主要针对累计运行时间进行了优化，尚未深入考虑各个研究方向特定的观测需求和专门的定标观测时间以及故障、维修等因素，因此，为了确保10年内能够完成所规划的巡天，计划分配70%的运行时间用于巡天观测。
天文探测能力的不断提升推动着人类对宇宙认知的进步，每一次观测深度、广度、波段、测光精度、空间分辨率、谱分辨率以及时间分辨率等方面的突破，都会带来重大的发现，甚至引发天文学和物理学革命性的发展。CSST大规模多色成像与无缝光谱巡天的指标在上述多个方面大幅超越以往项目，而且在同期巡天项目中像质(REE80)最好，近紫外波段的观测能力独一无二，综合性能优异，具有很强的竞争力。同时，CSST的科学任务不只是巡天，其配备的5台第一代观测终端都极具特色，或是仪器性能指标，或是观测任务，都致力在前沿研究方向上实现突破。
可以预期，CSST将与欧美同期的VRO、Euclid、RST等标志性项目并驾齐驱，并在优势方向上有所超越。CSST有望在宇宙加速膨胀机理方面取得突破，并将打开更广阔的发现空间，为天文学的发展作出重要贡献。
詹虎，中国科学院国家天文台研究员、北京大学科维理天文与天体物理研究所兼职教授，巡天空间望远镜科学工作委员会成员、一体化设计总体技术组成员、巡天光学设施责任科学家、巡天模块责任科学家与主任设计师。主要研究暗能量探测手段和光学天文相机技术。
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