国睿信配中国巡天望远镜和哈勃相比有什么优势？对比这个细节可以找到答案

国睿信配中国巡天望远镜和哈勃相比有什么优势？对比这个细节可以找到答案 | 科学讲坛——詹虎

没有工具国睿信配，

我们就自己发明工具。

没有现成的方法，

我们就得想办法并进行验证。

詹虎 ·中国科学院国家天文台研究员

格致论道第 124 期|2025 年10 月25 日北京

大家好，我是詹虎，来自中国科学院国家天文台。过去的十几年里，我一直在做中国空间站巡天空间望远镜项目的工作，也非常有幸能够从它一开始的科学论证、技术论证，就一直参与这个项目。今天很高兴，能跟大家分享一些它的故事。

与空间站共轨飞行

首先，大家可能对巡天空间望远镜的名称有一些疑问，为什么要起这个名称呢？这是一台跟空间站共轨飞行的、2米口径的天文望远镜，也是咱们国家空间站工程的重大科学设施。

▲巡天空间望远镜与空间站共轨飞行示意图

提到低轨的空间望远镜，大家可能会到美国的哈勃空间望远镜。哈勃空间望远镜从1990年发射工作到今天已经35年了，中间经历了五次维修和升级。正是这五次维修和升级，使得它能够长期地运行，而且一直保持很高的科学产出。

哈勃是通过航天飞机捕获望远镜，然后由航天员出舱进行维修。巡天空间望远镜在论证时也考虑了这一点，希望能够利用空间站和航天员的支持长久运行，不断更新、升级它的仪器，保持很高的科学产出。但与哈勃不同的是，巡天空间望远镜将主动与空间站对接进行维修升级。

巡天空间望远镜将与空间站在同一个轨道上运行，这样对接时推进剂消耗较少。如果两者在不同轨道上，对接时则需变轨，将消耗大量推进剂。由于空间站所在的轨道比较低，大气阻力仍会使轨道衰减，所以巡天空间望远镜也需要定期规划跟空间站对接，加注推进剂。

▲巡天空间望远镜可与空间站对接来加注推进剂和维修升级

这台巡天空间望远镜可以跟空间站长期共轨运行，然后在空间站退役，最后一次提供维修、补给之后，可以考虑把巡天空间望远镜推到更高的轨道，实现更长期的运行。

天文观测大致来说分成两种：一种是巡天观测，对大样本进行研究；另一种是对个体的精细研究。根据星系巡天的数据，我们看到星系的分布不是完全随机的，而是形成了一些宇宙的网状结构。实际上，宇宙学的模型、宇宙的膨胀等等会影响这些网状结构的形成。我们通过巡天收集天体样本，对它们进行分类与空间分布的统计，时域巡天项目还可以详细记录这些天体随时间的变化，探测一些爆发的现象。

但是，以构建大样本为主要目标的巡天观测，往往难以用于对个体做很精细的研究，比如说上图的漩涡星系，它有旋臂，一些区域可能是恒星形成区，它甚至有可能正在与其附近的星系发生相互作用。要研究这些物理过程，就需要更多的观测手段，可能需要从光谱覆盖、波段覆盖、时间分辨率、空间分辨率等各个方向进行拓展。

如果将这样的精细观测应用到巡天大样本上，通常会因为代价过高，无法实现。因此，巡天观测与精细观测这两种研究往往是分开的——通过巡天发现很有意思、很有科学价值的天体，然后再进行精细的观测。当然，这两者相辅相成、相互迭代，一起推进天文的发展。

回过头来看，我们为什么要做巡天？实际上，这个项目从2010年开始论证，那时候美国也在做天文发展的规划。如果再往前推十年、二十年，我们可以看到宇宙学蓬勃发展，可以说是宇宙学的黄金时代。那个时代发现了暗能量，并在2011年获得了诺贝尔物理学奖，但是大家并不知道它的机理是什么，所以，当时国际上也在策划下一代巡天，想要解决暗能量这个问题。这对我们来说是一个机遇，也是一个挑战。

此外，如果在空间站工程里面建造这么一个规模的望远镜，我们希望有独特的优势。巡天空间望远镜的口径是2米，哈勃是2.4米，2021年发射的韦伯望远镜是6.5米。在精测方面，望远镜口径是竞争力的重要因素，我们不占优势，但是在巡天方面，只要望远镜的视场足够大，就可以获得很大的优势，而且可以覆盖很广的科学，所以我们选择了做巡天。

既然做巡天，就需要望远镜具备很大的视场，也就是一次能看到很大的天区。我们将巡天空间望远镜的视场跟哈勃空间望远镜两个相机的视场进行了比较，可以看到巡天空间望远镜的视场是哈勃空间望远镜最大视场相机的350倍，观测效率非常高。巡天望远镜一般都会有很大的视场，在空间项目里，巡天空间望远镜的视场是最大的。当然，地面还有比它视场更大的项目。

做巡天研究的是什么？宇宙学是我的主要研究方向之一。在人类对宇宙的认识里，现在有两大谜团，一个叫暗物质，一个叫暗能量。暗物质通常被认为由某种粒子构成，有引力的作用国睿信配，可以吸引物质。当然，不同模型预测它可能具有不同的其他作用。

一般认为，爱因斯坦的广义相对论适用于暗物质的引力作用。在引力透镜这个现象中，如果背景星系和观测者之间有一团大质量的物质或者星系团，它的背景星系就有可能被扭曲成一个弧状，甚至一个环状等等。那么，通过这种背景星系的形状测量，我们可以测量或者描绘宇宙空间中暗物质的分布。

▲基于引力透镜信号测绘宇宙物质分布，巡天空间望远镜可以限制暗物质粒子属性，并将暗能量属性测量精度提升1个量级以上（图片：HST，M. Lovell）

星系本身也是物质分布的一种追踪体，我们也可以根据星系的空间分布和统计来研究宇宙的结构。前面也提到，在不同的宇宙模型下，宇宙结构的演化是不一样的。在不同的暗物质、暗能量模型下，宇宙膨胀的加速度和结构增长的速度也都是不一样的。

▲巡天空间望远镜将构建星系完备样本，揭示其形成与演化规律，检验宇宙结构演化理论，探究暗物质和暗能量本质

所以，通过对引力透镜效应的测量、对星系分布的测量统计，我们可以检验宇宙学模型，去揭示暗物质、暗能量的本质。同时，我们拥有如此大、如此完备的星系样本，对星系本身的研究，包括它的形成、演化等都有很大的促进作用。

攻关巡天相机的“视网膜”

已完成：30%//////////

对于巡天来说，我们不仅需要精密的光学系统，也需要一台超大靶面的巡天相机把影像转换成高清图像。巡天相机实质上跟手机或者普通数码相机的机身一样，接收光学系统的影像，并将其转换成数字化图像的仪器。这台巡天相机大约需要使用整个望远镜70%的时间完成巡天工作，是这个望远镜最重要的一台终端。

▲巡天空间望远镜

我本科学的是卫星设计，所以对于技术方面非常感兴趣。2010年，在我们论证巡天空间望远镜的科学目标时，也开始组织队伍论证它的技术方案，这一论就论证了五年。到了2015年，中国科学院光电所、上海技物所、西安光机所、南京天光所和我们（国家天文台）的团队通过了择优，一起来研制这台巡天相机。

下面是巡天相机的爆炸图，相机最核心的一个组件就是它的焦面（通过镜头后光线准确汇聚、能够形成清晰影像的平面，此处指将影像转换为电信号的探测器阵列及其支撑结构），这个焦面的像素规模达到26亿，而目前最大的空间天文焦面规模仅约10亿像素。巡天空间望远镜发射的时候，这台巡天相机的焦面将成为空间天文项目里最大的焦面。

▲联合总体：中国科学院国家天文台、中国科学院光电所

参研单位：中国科学院上海技物所、中国科学院西安光机所、中国科学院南京天光所

这个规模同时也带来了很多难题。可以想象，要在不到一米见方的尺寸里，在重量约束、功耗约束和散热约束的条件下，实现一个这么大规模的焦面，同时具有非常低噪声的电子学及其他配套，这是相当困难的。

为了得到很低的暗电流噪声，我们需要将焦面（红圈所示）维持在-85℃的低温条件下工作。因为焦面很大，所以冷量需求非常大，这也是难点之一。

此外，巡天相机在十年里大致要工作七年，是一个长寿命的设备，光快门就要开合将近70万次，这也带来了难点。

探测暗弱目标需要巡天空间望远镜具有很高的灵敏度，所以就需要探测器具有很高的效率和很低的噪声，噪声包括读出噪声和暗电流两部分。这样高性能的探测器在国际上已经有成熟的产品，国内此前还没有研制过，但在工程总体的支持下，我们提出了自研——希望推动国内高性能图像传感器技术的发展，实现自主可控。事实上，我们跟国外生产商洽谈时，的确也曾遇到过一些困难。

经过七年的攻关，中电科44所（中国公司第四十四研究所）研制的紫外CCD（能在紫外线波段进行有效感光和成像的电荷耦合器件）已经完全满足技术指标要求。另外，长光辰芯的CMOS图像传感器攻关也取得了突破，产品将会在后续的一些项目中得到应用。

▲左：中电科44所CCD 9.2k×9.2k 10μm

右：长光辰芯CMOS 9k×9.2k 10μm

我们团队的作用是什么呢？作用主要在于给探测器制定详细的指标体系，通用的指标不能很好地覆盖天文观测的需求。另外，我们给探测器制定了测试标准，同时也给国产器件进行了详细的测试和反馈。经过多轮迭代国睿信配，研制单位最终完成了这次攻关。

事实上，中电科44所的紫外CCD在多项指标上已经超过，甚至是显著超过进口的CCD。以图像均匀性为例，下面是在紫外波长270 nm下，进口和国产的图像对比。进口的CCD由于背照工艺留下的痕迹，所以有一道一道的条纹，因此在均匀性这个角度来说，国产CCD要好上不少。

▲国产近紫外CCD暗电流、像元缺陷、响应均匀性、量子效率、MTF等指标（显著）优于进口CCD

当然，实验室的测试是远远不够的。我们在国家天文台兴隆站80厘米望远镜上面开展了天文实测，对比了国产CCD和进口CCD拍摄的图像，并对它的标定进行了一些分析。

▲左：国产CCD与进口CCD拍摄图像的视觉效果

右：相机研制与测试团队成员

结果，两者效果的确相当。这样，通过各方的大力投入，解决了巡天相机探测器的问题。于是采用国产CCD和进口CCD混装，形成巡天相机的“视网膜”。

第一幅图像的诞生

已完成：60%//////////

探测器攻关的同时，巡天相机的各个组件也在开展研制并陆续交付，最后进行了整机的集成。现在研制的这个中间产品叫做鉴定件，并不是最后发射的飞行件，在发射之前，我们要用鉴定件做一系列的试验，来充分验证产品能否适应空间的运行，比如真空、高温、低温、发射的力学环境等等，同时，还要对它的性能进行考核。

下图是我们拼接焦面的鉴定件，上面可以看到颜色不一的探测器，探测器所优化的波段不同，颜色也不同，其中有一部分是机械片，没有电性能。

这个焦面主成像区规模达到了500 mm×600 mm，并且要求在-85℃低温下的平面度优于±30 μm。作为对比，我们头发直径大约50-100 μm。为了满足拼接焦面低温面形的要求，就需要在低温下对其进行测量。而且因为低温，所以同时也必须在真空下面进行测量，否则就会结霜、结露，损坏探测器，但现有的一些测量设备都无法在真空条件下工作。为此，我们专门自研了一套可在真空条件下使用的大行程非接触式面形扫描设备，在真空罐里实现了巡天相机大尺寸焦面的低温面形测量，确保了焦面拼接的精度。

研制过程当中，有很多这样的故事。没有工具，我们就自己发明工具。没有现成的方法，我们就得想办法、发展新的方法并进行验证。

在下图中，上述焦面已经集成到了相机主体上。相机上部是光栅和滤光片，光栅安装在两侧，位置较高，用来做光谱，中间五颜六色的是不同波段的滤光片。而焦面就在滤光片和光栅的下方，再往下是相机的主体结构、电箱等。

▲滤光片与无缝光谱组件装配到位

整机集成之后，就要开展多项试验，例如真空罐内做的热平衡、热真空、热光学试验。

▲光电所试验现场

相机整机的集成在光电所完成。在研制过程中，会遇到各种问题，例如，要求相机读出噪声非常低，不超过5e-。集成前的测试显示，焦面和电子学的读出噪声是4.5e-，完全满足要求。但是集成后，进罐之前的常温测试中出现了干扰条纹，噪声超过5e-，达到了6.3e-，这无法接受，而且条纹是随机的，图像处理也难以去除。

▲左：正常本底图像，读出噪声4.5e-

右：本底出现干扰，读出噪声6.3e-

干扰问题很棘手，但必须解决，而时间又很紧迫，大家非常焦急。经过仔细排查，我们发现，原来是焦面背后的加热片形成了天线效应，对它产生了辐射干扰，此外，还有部分电缆布局不太合理。这个问题从发现到定位、解决，前后花了三周的时间。当然，这个过程中其他工作也在抓紧并行开展。

问题都排除之后，我们继续将相机装入真空罐进行测试，下图是关闭真空罐前巡天相机和测试设备的照片。图中面对我们的是相机的滤光片和光栅，快门处于打开的状态。

▲真空罐内相机性能测试

下图是巡天相机在低温下输出的第一幅图像，我们叫它暗场，就是相机在完全避光的条件下，积分（通过延长曝光时间累积信号）了一段时间获得的图像。

▲整机首幅低温图像（暗场）

这幅图像看似平平无奇，没有记录任何景象，甚至有些非考核器件的图像呈现出奇怪的图案，但是我们看到的时候特别振奋，因为稍作分析后，马上就知道它的读出噪声以及暗电流都满足指标要求。在我们真正得到这个结果之前，虽然已经做了很多器件级和组件级的测试，也很有信心，但没有经过整机低温的测试，没有最后的结果，就不能作数。但看到这幅图像，我们心里的一块石头落地了。图中绿色框标出的是用于考核性能的CCD芯片。其他芯片一部分是机械片，图像由电箱模拟生成，其余的是性能比较差的电性片，不作考核。

2024年11月份，我们交付了巡天相机的鉴定件。2025年2月份到5月份，在中国科学院长春光机所跟光学设施完成联试。目前，我们正在开展巡天相机正样的研制。

去看更广的宇宙风景

已完成：90%//////////

随巡天空间望远镜发射入轨的第一代观测终端一共有5台，除了巡天相机外，其余4台是太赫兹谱仪、星冕仪、多通道成像仪和积分磁场光谱仪。太赫兹谱仪将对宇宙中的原子、分子谱线进行观测，星冕仪可以对系外行星直接成像。多通道成像仪和积分磁场光谱仪两台仪器集成为一体，前者将目标天体分光三色同时观测，后者将天体分割成很多单元，分别做光谱。

巡天空间望远镜的载荷部分（即巡天光学设施）由中国科学院长春光机所牵头研制，飞行器平台（即巡天平台）由航天五院负责研制。这台望远镜有不少特色和关键技术，例如光学系统采用了离轴三反的设计，即有三面反射镜具有曲率。之所以采用这样的设计，是因为巡天需要很大的视场，又要很高的分辨率，只有用三个反射镜的自由度，才能将像差校准到很好的水平，保证整个视场范围内都获得很好的像质。