太周探测(IV)

本世纪的发展：走向极致

进入廿一世纪，鉴于天文观测的本质特点，其总体趋势将是走向极致，也就是在上世纪航天技术和探测仪器及器件发展的基础上，从深度和广度两方面进行扩展, 同时解决存在的技术问题，用性能和功能趋于极致的仪器和器件使观测水平也不断走向极致；以下列举几个典型实例加以说明。NASA于 2003年发射了斯皮策空间望远镜SST[45]，采用了近地日心轨道，并加遮光罩使观测仪器避免太阳直射以减小其影响和降低整体温度，可说是一个整体进行辐射制冷的望远镜。SST采用的0.85米金属铍制反射主镜已冷却到5.5 K，携带了相机（256x256）、摄谱仪和光度计等，继续在中远红外（含THz）波段上进行类星体和螺旋星云等的观测，并与HST进行多波段协同观测等。SST首次观测到系外行星，并测出了宇宙膨胀速度。其深制冷的器件仍采用发射时携带的360 L超流液氦制冷，但由于降低了整体温度减小了消耗，其深制冷仪器的工作时间达到了五年半，其后温度较高的两个波段（3.6 微米和4.5 微米）一直工作到2020年。

斯皮策空间望远镜SST结构示意图

与此同时，地面上的各种射电天文观测也仍在继续进行，主要依靠增加射电天线口径、采用天线阵进行孔径合成以及改进接收机等来提高观测水平，中国在此方面也开展了有效的工作，并取得了良好的观测结果。例如，2012年启用的上海佘山天马射电望远镜TRT采用了65米主反射天线和覆盖1-50 GHz频段的8波段低温接收机，观测到了长碳链分子、羟基/甲醇脉泽和毫秒脉冲星等，在星际分子和脉冲星等研究方面发挥了作用，同时还用于航天测控等[46]。2016年运行的500米口径球面射电望远镜FAST（也称天眼射电望远镜）建于贵州一大山岙上，是目前最大口径的射电望远镜，具有主动变形反射面，馈源舱高140米，移动范围206米，采用覆盖70-3000 MHz频段的低温接收机，噪声温度约20 K，已观测到毫秒脉冲星、短周期脉冲双星等多种类型的上千颗脉冲星，以及弥散氢原子气体，射电暴和纳赫兹引力波等，成果不断，可望在人类将地球上的射电天文观测环境破坏殆尽之前继续发挥重要作用[47]。

65米天马射电望远镜TRT照片

500米口径天眼射电望远镜FAST照片，中上插图为其馈源仓。

对于空间天文观测，避开太阳的影响是首要的，但近地轨道上的一些限制主要是地球辐射和通讯电磁干扰以及月球的作用也是需要考虑的，这使得人们向往更高的轨道，日地连线上地球外侧约150万公里处的日地第二拉格朗日点L2正是人们所青睐的。一方面，L2是地日连线上的引力亚稳点或称鞍点，定位于此处的航天器其轨道维持和稳定会较方便，燃料消耗小，易于长时间驻留；另一方面此处轨道足够高，避免了地球和月球的干扰，热环境也会更稳定。实际在此处进行观测的航天器是围绕L2点旋转的，使之能避开地球的阴影区让太阳能帆板能够接受阳光。这样，运行于L2轨道上的天文观测设备需采用向“上面或侧面”的观测方式，并在“向下”方向采用“遮阳伞”也即太阳地球遮挡结构将日地对观测的影响降到最低，同时遮阳伞也还显著减小了太阳的辐射升温作用，这样设备整体也可由辐射制冷作用保持在较低的温度，显著改善了可用观测时间。当然，其如此高的轨道高度使得人们几乎无法像哈勃或依附于空间站的望远镜那样对其进行维护升级，因此要求有更高的稳定性和可靠性设计。

进入本世纪以来，人们已先后不断地向L2发射了多种用于天文观测的探测器。例如：NASA 2001年发射了威尔金森微波各向异性探测器WMAP[48]，继续了COBE的工作，在更高的L2轨道上进行宇宙微波背景更精细的各向异性全天球扫描探测成像。其采用1.4x1.6米微波反射天线，覆盖了22-90 GHz的微波波段进行差分探测，这时已使用了InP基HEMT放大器件，采用无源制冷方式冷却至约80 K，2年完成了四次全天球扫描，其对宇宙背景温度的探测分辨率为0.2 mK，达到了比COBE更好的效果。WMAP在L2轨道上运行了近十年，2010年退役后受控脱离，腾出宝贵的日地L2轨道资源。

威尔金森微波各向异性探测器WMAP结构示意图

WMAP九年观测数据的汇总平均结果

根据WMAP等的观测结果设想的大爆炸后宇宙膨胀结构示意图

其后，2009年ESA用一支阿丽亚娜5型火箭向L2轨道同时发射了两个探测装置，即普朗克巡天者Plank Skywalker和赫歇尔空间天文台Herschel SAO[49-50]，如下图所示，其载荷及其功能各有侧重也有重叠，与WMAP和SST颇多相似之处。Plank仍以CMB探测为主，采用1.5米反射主天线以及低频(27-77GHz) HEMT接收机LFI和高频(84-1000GHz) Bolometer接收机HFI，用携带的超流液氦制冷至0.1K，也获得了宽视野CMB分布，并进行暗物质、暗能量和宇宙年龄研究；Herschel以光谱探测和成像为主，采用温度为2 K的 3.5米反射主镜，其超导混频探测器、IBC阵列和Bolometer分别覆盖83-1000 GHz、26-77微米和55-672 微米范围，用携带的超流液氦制冷至0.1K，在星际气体和超高速分子喷流、暗物质和暗能量研究以及宽视野CMB成像等方面发挥了作用，下面两张照片是其对猎户座星云的红外成像及阳台上的光学成像，1965年曾在此星云中发现了OH脉泽。这两个探测装置均工作了约3年，在超流液氦耗尽后于2013年退役，并受控脱离L2轨道。2011年中国嫦娥二号也曾由环月轨道出发到达L2点，并稳定运行约十个月，然后又飞入深空做小行星探测等。

普朗克巡天者Plank结构示意图

普朗克巡天者Plank微波背景辐射分布观测结果

赫歇尔空间天文台Herschel SO结构示意图

赫歇尔空间天文台猎户座星云红外成像照片

猎户座星云（ Orion Nebula）单反照片，2021.11.28 1:45@南阳台

NASA 于2021年发射的詹姆斯-韦伯空间望远镜JWST无疑是当今L2轨道上的明星[51]。JWST的主要功能仍是红外高清成像及摄谱，原计划2007年发射，其间历经十余次延期改进，投资追加至上百亿美元，至2021年底成功发射，前后经历了四分之一个世纪终成正果。JWST的主要设备是近红外相机NIRCam、中红外相机MIRI和近红外摄谱仪NIRSpec等。近红外波段的探测器件在HST的基础上升级到2Kx2K规模，即H2GR MCT-FPA，分0.6-2.5 微米和0.6-5 微米两种，共使用了15只，辐射致冷至<40 K，其单个器件的光敏面尺幅达到了36x36 mm²。中红外波段的探测器件为2只1Kx1K的Si:As IBC器件，使用了氦循环制冷机致冷至6K。JWST不进行远红外波段探测，避免了携带超流液氦的消耗寿命问题。这些设备都仰仗JWST发射后展开的“直径”为6.5米、曲率半径约3米的凹面光学主反射镜工作，其主反射镜是由18面对边距离为1.3米的正六边形凹面镀金反射镜拼接而成，主镜也呈六边形状，直径已达HST的两倍以上，受光面积超过五倍，因此性能上有显著提高。为减轻重量，这些子镜都是由金属铍制成的，厚度约5厘米，为减重挖空成六角蛋架型结构，实际镜片厚度约1 mm；每面子镜既可受控进行较大范围的调整，又可作纳米尺度的微小位移，方便校准光路。金属铍是元素周期表中的第4号元素，比重很小，又有很高的刚性和足够的强度，且可耐极低温不易形变。即使如此，JWST的总重量也达6.2吨，但仅约是使用单块玻璃结构镀金反射镜的哈勃的一半。JWST运行后不断取得令人印象深刻的结果，其高灵敏度和高分辨率极大地扩展了人类的视野[52]。

詹姆斯韦伯空间望远镜JWST结构示意图及其发射前折叠的主镜照片

JWST近红外相机NIRCam拍摄的十亿年前大质量星系团照片，2023-8-9发布

2023年ESA也已向L2发射了与JWST类似的欧几里德航天器Euclid，如下图，目前仍在飞行途中，配置和功能与JWST颇为相似。其反射主镜口径为1.2米，采用了与JWST相同的16只2Kx2K规模H2GR MCT-FPA探测器；与JWST相比其还加入了可见光相机VISC，计划主要开展暗物质暗能量研究。表2中简要汇总了前述本世纪前期发展的一些典型实例。其后NASA还计划于2027年发射罗曼空间望远镜RST，主镜口径2.4米，升级使用规模达4Kx4K的18只MCT-FPA探测器，其器件已经就位如下面照片所示，计划与Euclid在日地L2轨道上组队运行。

欧空局ESA已发射的欧几里德航天器Euclid结构示意图

NASA计划于2027年发射的罗曼空间望远镜RST已就位的18只4Kx4K MCT焦平面器件照片

中国也已在空间开展了天文观测。例如：2017年发射了硬X射线调制望远镜(HXMT，Insight)“慧眼”[54]，将天文观测向高能X射线方向延伸，并进行大视场的X射线巡天探测，开展黑洞、中子星等高能天体的短时标光变和宽波段能谱研究，同时也具有高灵敏度的伽马射线暴全天监视功能，已取得一批成果。其高能区用NaI/CsI闪烁晶体结合光电倍增管PMT探测，中能区用Si-PIN探测器，低能区用一种特殊的CCD器件也即扫式电荷器件（Swept Charge Device，SCD），实现了宽波段（1-250 keV）覆盖，高能端比 NASA 1999年由哥伦比亚号航天飞机发射的钱德拉X射线天文台CXO [55]有显著提高。中国空间站工程巡天望远镜（CSST）也计划于2024年发射[56]，其主要特点是既可与天宫空间站对接，方便在轨安装维护升级，又可与其分开，共轨远离独立运行以避免干扰等，采用口径2米主镜，将主要进行基于Si大规模面阵器件的可见光波段（含近紫外和近红外短波端）天文巡天观测，巡天模块安置了30只器件，总像素达到25亿，具有大视场和高像质特点；此外还加入了基于深低温超导SIS隧道混频器的THz高灵敏探测模块，采用氦循环制冷机冷却到<10 K，探测频率范围0.41-0.51 THz，可望在星际物质探测方面发挥作用。下表中列出了前述本世纪中一些发展的实例以资比较。

中国计划于2024年发射的巡天空间望远镜 CSST结构示意图