●马瑞灿 葛明玉 郑世界
最近，欧洲空间局欧几里得空间望远镜成功搭乘猎鹰9号火箭发射升空，该望远镜将在天球面积三分之一的范围内观测距离超过100亿光年的数十亿星系，绘制出有史以来最大、最准确的宇宙时空3D地图，以研究宇宙中的暗物质分布和暗能量的性质。目前，太空中活跃着很多空间望远镜，极大地丰富了人类对于宇宙的认知。但它们高昂的造价也总是引发公众的讨论：我们有必要将望远镜送到太空吗？地面望远镜无法执行这些观测任务吗？
太空中，机遇与挑战并存
地球在大气的保护中，但这对人类而言不可或缺的保护，却给科学观测设置了难题——仅射电（微波）和光学等波段几乎不被或者少量被大气吸收，而其他波段的辐射则会被大气显著吸收，因此只有将望远镜发射到太空中才能进行观测。
相比于地面望远镜，在太空中的空间望远镜具有多重优势：
第一，空间观测消除了大气干扰，能够获得更为清晰和准确的观测数据。
第二，空间望远镜的观测波段更宽，这对于我们从多个波段更全面地理解宇宙信息具有重要意义。
第三，空间望远镜能进行更高分辨率的观测。这种卓越的分辨率使我们能够深入探索宇宙中微小的结构和现象。
第四，空间望远镜具备长时间连续观测能力。通过连续观测，科学家可以更准确和细致地研究这些天体和现象的起因和演变规律，深入理解宇宙的动态过程。
第五，空间观测能避免人为污染。这为研究宇宙中更远的天体现象、更微弱的信号和更细微的结构提供了独一无二的机会。
空间望远镜是探索宇宙的更深层次、更全面的工具，有助于取得更多重要发现，例如宇宙的加速膨胀、太阳系新行星和卫星的探索、宇宙微波背景的辐射以及暗能量等。
然而，空间望远镜的运行和使用也面临一些难题。
首先是高昂的成本。空间望远镜的设计、制造、发射和运行都需要巨额资金的投入。高昂的成本使得空间望远镜的规划和执行具有挑战性，需要合理的资金规划以及财务支持，以确保空间望远镜的顺利运行。这也要求科学家、工程师以及相关机构等进行精心的规划和设计来确保空间望远镜项目的成功。
其次是技术难题。空间望远镜在极端的外太空环境中工作，面临着宇宙射线辐照、巨大的温度变化、微小陨石的撞击以及真空环境等挑战。为了确保望远镜的正常运行和观测精度，需要解决许多技术难题。
其中之一是精确的定位和稳定的姿态控制。空间望远镜需要精确的位置和稳定的姿态，以确保目标源的可观测性。另一个挑战是稳定的温度控制。为了保证设备的正常运行，需要采取有效的温度控制措施，例如隔热材料和冷却系统等，以确保设备在不同温度条件下的稳定性和可靠性。
此外，可靠稳定的通信系统也是一个关键问题。考虑到太空中复杂的环境和地球大气层的影响，确保通信系统的可靠性和稳定性具有重要意义。
最后，还可能面临维护和修复难题。虽然地面系统可以通过远程操作解决一些问题，但由于地面系统与望远镜之间的通信延迟、复杂多变的空间环境等因素的影响，维护和修复设备需要非常仔细的计划和精确的指令传输。
但有些问题仍需要工程师亲自进行修复。但随着航天飞机计划的终止，对空间望远镜的修护任务变得愈加困难。未来可能需要依赖机器人技术或其他航天任务来进行维护和修复。
为了克服这些困难，科学家和工程师们也在不断努力研制更加耐用的设备，以减少对人员干预的需求，提供更长久的观测能力。此外，随着技术的日新月异，未来更先进的机器人技术和自主化系统也可能会出现并被应用到空间望远镜的维护和修复上。
中国造，为人类了解宇宙作出更多贡献
近20年，特别是最近10年，我国积极进行空间探测，取得了值得骄傲的成就。
“慧眼”硬X射线调制望远镜（HXMT）卫星是我国第一颗空间X射线天文卫星，在2011年正式立项并进入工程研制阶段，于2017年6月15日成功发射，开展科学观测。它既可以实现宽波段（1—250keV）、大视场X射线巡天，又能够研究黑洞、中子星等高能天体的短时标光变和宽波段能谱的空间X射线天文望远镜，同时也是具有高灵敏度的伽马射线暴全天监视仪。
怀柔一号“极目”（GECAM）卫星是一个机遇型空间科学项目，2018年获得工程立项，A星和B星于2020年12月10日发射升空，C星于2022年7月27日搭载空间新技术试验卫星发射入轨。“极目”系列卫星采用了一系列创新的探测技术，并开创性地使用北斗导航系统短报文服务实现星地准实时通信，实现了对空间高能暴发事件的快速发现、下传与对外发布。
这些空间望远镜的成功发射和运行，使得我国在国际竞争激烈的高能天体物理观测领域占有重要的一席之地。“慧眼”和“极目”对宇宙中的黑洞、中子星、伽马射线暴、磁星爆发、快速射电暴的高能对应体、太阳耀斑以及地球伽马闪等开展了大量的观测，帮助探索其物理机制和起源。特别是，对迄今最亮的伽马暴的瞬时辐射和早期余辉进行的国际最高精度的测量，探测到了国际上第一例和第二例快速射电暴的电磁对应体为磁星，破解了其起源之谜，刷新了直接测量宇宙最强磁场（超16亿特斯拉）的记录、发现迄今为止黑洞中最高能量（200keV以上）的准周期振荡等。
目前，我国正发起并牵头多个空间望远镜项目，为未来的空间观测任务开辟新的前沿，推动我们对宇宙的认识。
中国空间站工程巡天望远镜（CSST）是我国载人空间站旗舰级项目，计划于2024年发射。它是我国迄今为止最大的空间天文基础设备，具有大视场、高像质、宽波段等突出特点，研究涉及宇宙学、星系科学、太阳系科学和系外行星等领域的诸多前沿热点方向和重大科学问题。
由欧洲和其他地区的多个研究单位参与的国际旗舰级空间望远镜——增强型X射线时变与偏振空间天文台（eXTP），预计在2028年左右发射。它的核心科学目标可概括为：一奇（黑洞）、二星（中子星和夸克星）、三极端（极端引力、磁场和密度），将研究黑洞、中子星中的新物理过程，包括极端引力条件下的广义相对论、极端密度条件下的量子色动力学和极端磁场条件下的量子电动力学等基本规律。
“全变源追踪猎人星座”计划（CATCH）也是我国发起的空间项目，预计在2030年左右完成部署。它将由百颗微卫星组成智能化X射线观测星座，旨在对全天变源开展多目标、多参量、不间断观测，实现刻画极端宇宙多参量动态全景的核心科学目标。CATCH计划的实施将进一步提升我国在空间天文领域的探测能力，并促进国际合作与交流。
空间望远镜的发射是为了克服地面观测的限制，提供更清晰、准确和连续的观测数据。它能够消除大气干扰和吸收、观测更深的宇宙和更细微的细节，以及实现连续观测。通过空间望远镜，我们能够深入探索宇宙的起源、演化和结构，研究恒星、行星、星系以及宇宙中的各种现象和过程。空间望远镜的确造价高昂，但它们是仰望星空的人类之眼，其获取的知识、给人类社会带来的福祉，将影响深远。
（据《光明日报》）