本文内容来自北京市科学技术协会主办、北京科学中心承办、北京科技报社协办的首都科学讲堂。讲堂每周邀请院士专家开讲，弘扬科学精神，帮助公众树立科学思想，掌握基本科学方法，了解必要科技知识。
随着我国天宫空间站逐步投入常态化运营，“中国巡天空间望远镜”（以下简称“CSST”）的发射与部署工作也提上日程。作为天宫空间站的组成部分之一，CSST将成为我国首次设置于地外空间的大型可见光天文望远镜，在未来开展广域巡天观测。
本期首都科学讲堂邀请中国科学院国家天文台研究员、巡天空间望远镜科学数据处理系统责任科学家李然，带领我们一窥CSST项目的台前幕后，透过这只“飞天巨眼”，感受国之重器的视野。
主讲嘉宾：
李然中国科学院国家天文台研究员、巡天空间望远镜科学数据处理系统责任科学家
▲解码中国“飞天巨眼”（上）
▲解码中国“飞天巨眼”（下）为什么要把望远镜放到太空去？对于人类而言，观察星空是一件稀松平常的事情。从远古时代走出非洲的第一批智人，到今天遍布全球各个角落的不同种族，只要我们愿意在夜晚抬头仰望，在远离光污染的地方，都可以看到满天璀璨的星空。
我们在星空中观察到的绝大多数天体都是恒星，它们其实与太阳一样是能够自己发光的星星。在太阳和部分行星之外，我们能用肉眼看到的最亮的恒星是天狼星，其次是织女星。但像这样的亮星在星空中其实是很少见的，绝大多数恒星肉眼看上去都比较暗淡。人的肉眼能捕捉到的最暗的恒星，按照“视星等”的划分被称为六等星。这类恒星的亮度与织女星相比差了倍。粗略统计，我们在星空中能用肉眼看到的恒星大概有颗，这还是在人的视力非常良好的前提下。
这些肉眼可见的恒星，基本都分布在距离地球几十甚至上百光年远的地方——当然，这段距离看似遥远，其实也不过是宇宙中很渺小的部分。如果要到更广阔的宇宙深度探寻更加暗淡的天体，人类的肉眼就无能为力了。因此就必须借助一定的工具进行观测，这就是天文望远镜。
早在年，著名科学家伽利略就制作出人类第一台望远镜，并用它去观测星空。彼时的光学望远镜镜面直径只有几厘米，以今天的眼光来看，观测范围极为有限，但相比肉眼已经算是了不起的飞跃了。
▲伽利略向威尼斯大侯爵介绍如何使用望远镜（供图/李然）
利用这台初代望远镜，伽利略看到了星空中肉眼无法捕捉的细节，比如月球上的环形山、木星附近的卫星、组成银河的无数繁星等等。借助这台望远镜，人们开始了对宇宙星空的深入探索。
到了20世纪20年代，人类建造的天文观测设备已经与今天常见的大型天文望远镜相差无几。当时，在美国威尔逊天文台工作的天文学家爱德文·哈勃就使用了一台镜面直径达2.5米的望远镜（即胡克望远镜）观测星空。当然，与今天普及了自动化控制、使用电脑操作望远镜的天文台不同，当时的天文学家还需要亲自坐在观测室用肉眼观测，用原始的照相干板对天体进行成像。
▲使用威尔逊天文台的胡克望远镜进行观测的美国天文学家哈勃（供图/李然）
正是依靠这种略显简陋的设备，哈勃发现小麦哲伦星系中的几颗名为“造父变星”的天体——这是一种亮度会周期性变化的恒星。哈勃根据造父变星本身亮度和变化周期的关系，通过测量其本身的亮度和在地球上观测到的亮度，从而计算出了小麦哲伦星云与地球的距离达20万光年之远。这样一个星系的亮度居然能被人类的肉眼看到，足见它的发光能力有多强。
▲左图为哈勃拍摄的小麦哲伦星系影像，他在上面发现了可以测距的造父变星，因此兴奋地写下了“VAR”字迹；右图为哈勃望远镜拍下的小麦哲伦星系清晰影像（图片来源：NASA）
随着科技的不断进步，天文望远镜的尺寸也在不断增长。当今世界上最大的光学望远镜，其镜面口径可以达到8～10米。而望远镜镜面直径每增大10倍，它收集光线的能力就增加倍。这样算来，我们今天的光学天文望远镜是有能力看到宇宙更深处更加暗淡的天体的。如今，规模更大的天文望远镜正在世界各地加紧建造中，它们的镜面口径可以达到20～40米级别。
但即便是这个级别的大型天文望远镜，它们的观测能力依然存在不小的局限。地球上的我们和星空之间，隔着一层厚厚的大气层。大气层中存在着复杂的空气流动，受其影响，地面观测到的星点会不断抖动，使我们无法将天体的影像更加清晰地解析出来。即便是未来口径有20米之巨的望远镜，要在地面上在可见光的波段内对天体进行清晰的成像，依然有很大的困难。
于是人们开始设想：何不将望远镜发射到太空中呢？这样就能摆脱大气对地面观测的干扰，更加精确地观察星空中天体的本来样貌。早在人类将第一颗人造卫星发射到太空之前，就有科学家提出了这个超前的设想。但直到上世纪70年代以后，第一台太空望远镜的建造计划才出炉，这就是著名的哈勃望远镜。
▲年时的哈勃望远镜（供图/李然）
哈勃望远镜的整个建造、发射和运行过程都非常不顺。首先是经费严重超支，其后又遭遇了作为运输载具的“挑战者”号航天飞机坠毁事件，一直到年才发射升空。在太空运行时，科研人员又发现哈勃望远镜的设计和制造工艺存在缺陷，比如镜面的磨制存在微小误差，导致观测成像的清晰度不高等。经过后期一系列在轨改进与维护，哈勃望远镜的观测精度才达到了预期要求，并开始发挥它作为太空望远镜的独特优势。
尽管一路坎坷，哈勃望远镜还是给了科学家们异常丰厚的回报。在运行的30年时间里，哈勃望远镜捕捉到了宇宙深处无数美丽的星空图，获得了海量的巨大发现。比如对编号IC的遥远星系进行拍摄，在地面无论用口径多么巨大的望远镜，始终只能得到一幅模糊的影像。而通过哈勃望远镜，我们能够从中清楚地分解出该星系包含的恒星，从而更加全面地了解这个星系。
不过，尽管强如哈勃望远镜，它的观测能力也依然存在不小的局限。想象一下，当我们仰望星空，伸出手指，仅能遮住大约四万分之一的星空面积，而哈勃望远镜的视场又仅仅是手指遮住面积的百分之一。如果我们要将宇宙作为一个整体进行研究，并对整个宇宙的演化过程进行普查的话，哈勃望远镜显然就不够用了。
▲地面望远镜（左）和哈勃望远镜（右）对编号IC遥远星系拍摄的照片对比（供图/李然）
因此，在哈勃望远镜升空之后30年，中国也计划将自己的望远镜发射到太空中去。这个望远镜要具备和哈勃望远镜类似的观测能力，同时还要有更大的视场进行巡天观测，使其不仅仅只观察单个天体，还要对整个宇宙开展系统普查，去深入了解宇宙的演化——这就是计划中的中国巡天空间望远镜的设计理念。
巡天空间望远镜有什么特点？CSST镜面口径为2米，与哈勃望远镜类似。它将具有和哈勃望远镜一样的光线收集能力，能获得相近质量的星空成像。整个CSST的长度接近一辆大巴车，如果将其竖起来，大约有三层楼高。可见，CSST是一座非常巨大的观测设备，届时我们将使用长征5号B运载火箭将其发射到太空中。
▲中国巡天空间望远镜设计图（供图/李然）
CSST项目在年就开始进行科学论证，之后立项。目前正在有序推进建造工作。年，国家天文台还专门成立了CSST科学委员会，以及负责组织科学工作的联合中心。CSST预计将会在年前后发射升空，在不久的将来，它将作为中国空间站的重要组成部分投入到科学研究中。
CSST将在近地轨道上运行。与哈勃望远镜不同的是，CSST的运行轨道非常特殊，它将与中国空间站进行共轨飞行。也就是说，CSST届时将与目前已经建设完成的空间站处在同一轨道高度上运行。在需要进行维护和升级时，CSST可以飞回天宫空间站并与之对接，由空间站上的航天员操作，进行更换镜片、相机或者设备升级等工作。
▲中国巡天空间望远镜将与中国空间站共轨飞行（供图/李然）
从功能上来讲，CSST与哈勃望远镜最显著的区别在于：哈勃望远镜是通用型望远镜，它一般会广泛接受来自天文学界的观测申请，从而进行多种不同的目标观测。CSST则会一次性地对一个广阔天区进行拍摄，并按照预先设定好的科研策略，对这个天区进行系统性观察。
哈勃望远镜这类通用型望远镜就好像一个摄影师，会根据要求拍摄野外的一头野牛，并将这头野牛的影像传输回来。而CSST这种巡天望远镜则会一次性就把一座山头或一片草原上成千上万头野牛的图像拍摄下来。
▲通用望远镜（左）与巡天望远镜（右）拍摄对比（供图/李然）
值得一提的是，虽然巡天望远镜拍摄的野牛数量很庞大，但这并不意味着它所捕捉到的单个野牛图像质量就会下降。事实上，它拍摄的每一头野牛图像的清晰程度，都与通用型望远镜是一致的。可以说，CSST是一台既能在广阔天区进行有效观察，又能对每一个天体进行精确成像的天文观测设备。
为了实现这样强大的观测功能，除了将光束收集起来的2米口径镜面外，CSST上最重要的设施就是巡天相机。巡天相机是位于望远镜后端用于成像的探测设备。它的工作原理，其实和我们日常使用的智能手机上的相机设备类似，它会对镜头收集到的来自宇宙天体的光线进行成像，当然它还可以用来进行光谱观测。
不同之处在于，我们手机上的照相机通常只有一片探测器，而在巡天相机上却装有30片探测器，每一片探测器的分辨率都能达到×个像素，整个巡天相机分辨率有20多亿像素之巨。除此之外，在成像质量与哈勃望远镜不分伯仲的情况下，CSST的视场覆盖面积达到了1.1个平方度，这个数字是哈勃望远镜的倍。可以想见，如此高精度、宽视场的巡天望远镜，必将成为太空中最有效的宇宙天体观测设备。
▲CSST上最重要的设施——巡天相机（供图/李然）
除了巡天相机外，积分视场光谱仪和星冕仪的重要性也不容忽视。积分视场光谱仪可以获取目标天体每一个位置的光谱；而星冕仪的主要任务是观察系外行星系统，它可以将主恒星的光屏蔽掉，使得科研人员能够获得被主星光芒掩盖的那些大行星的图像。另外，太赫兹模块的作用也不容小觑，它是一个在太赫兹频段进行探索工作的探测器，能够执行多个科学探索任务，其中之一就是对银河系邻近星系里的中性碳元素进行观察，并对数据进行存储。
有了巡天相机和这些丰富的后端观测设施的功能加持，CSST将给我们带来各种各样有趣的宇宙科学知识。
宇宙演化的全面普查对于CSST这样一台功能强大的巡天望远镜来说，它要面对的最关键任务，就是对天区面积为平方度的星空进行普查。整个宇宙空间约有平方度，正如上文所提到的，如果我们伸出手指，指甲盖能遮挡的面积约1个平方度，那么平方度就是指甲盖的倍，这个规模的天区大概是整个星空的一半区域。而夜空里的一个平方角分会收集大概20～30个星系。这样算下来，CSST在整个夜空会收集20亿个星系供我们精确地进行观测。
▲CSST将观察平方度夜空，收集约20亿个星系的观测数据（供图/李然）
如果将夜空中的任意一块拿出来，放在巡天望远镜眼前，都会形成包含着璀璨恒星与星系的影像，并作为数据传输回地面，再由科研人员和数据专家组成的团队进行处理，最终变成可供更广大的科学用户与公众观看的图片。
当然，巡天望远镜捕捉到的不仅仅只是天体的平面图像，科学家们可以通过对星系图像和光谱的分析，计算出星系的距离，从而构造出星系在宇宙中的三维分布结构图。
▲宇宙结构和星系巡天示意图（供图/李然）
想象一下，我们向着夜空划动手指，划过的一个夜空切片里包含着数量众多的星系。我们把每一个星系都拿出来，测量它的距离，并将其标注在结构图上，那么我们得到了夜空中的扇形区域，其上每一个点到中心观测者的长度，就与它真实的距离形成正比关系。在结构图中，绿色越亮的区域，星系越密集，这些星系在天上会呈现出一个纤维形的网状结构，而巡天望远镜能够将我们周围亿光年范围内的所有比较明亮的星系的图像拍摄下来，并计算它们的距离，将这样一个复杂结构完全测绘出来。这将极大帮助我们了解宇宙在大尺度上的结构，进而探索宇宙的整体面貌。
除此之外，CSST还可以观察到宇宙中那些看不见的物质，即暗物质。暗物质最早是在年代被瑞士天文学家弗里茨·兹威基发现的。在观察一个由众多星系构成的星系团时，兹威基发现有一些星系运动的速度异常之快，已经超出了星系团引力能够束缚的程度，这就好比如果一颗人造卫星绕地运行速度过快的话，地球引力就无法束缚住它了。那么该如何解释这一奇怪现象呢？兹威基认为这个星系团里包含着很多看不见的物质来提供额外的引力，他将之称为“暗物质”。在此后各种各样的观测活动中，暗物质在宇宙中的存在逐步被证实。
▲暗物质最早是在年代被瑞士天文学家弗里茨·兹威基（左上）发现的（供图/李然）
那么如何观测到这些暗物质呢？CSST正好就是这方面的行家里手，它将通过一种被称为“引力透镜”的方法观察宇宙的暗物质。虽然暗物质不发光，但它们会产生引力效应，在暗物质引力场的影响下，我们观测到的天体图像会产生扭曲。
比如一个偏圆形的星系，它的光线路径被暗物质引力场扭曲后，呈现在图像上就变成一个椭圆形了。通过对夜空中星系的形态进行统计分析和推演，我们就有可能知道到底是什么样的物质分布，以及多大的引力使得遥远星系的形态发生了变化，然后对该星系光线路径上存在的暗物质分布进行测绘。
CSST可以在亿光年的范围内观察宇宙的星系。同样，科学家也可以用这些星系的形态，推演这个尺度上宇宙暗物质的分布，并将其分布情况绘制出来，这样我们就能得到宇宙的精确结构——不仅包括宇宙星系地图，还有暗物质宇宙地图。
▲巡天望远镜最适宜测绘暗物质全景地图（供图/李然）
需要注意的是，这里所提到的亿光年，表示的是光运动亿年所经过的距离。这就意味着，我们去观察几十亿光年外的天体时，看到的其实是它几十亿年前的样貌。那么这样一个宇宙结构图所展示的就不仅是宇宙的空间分布，还蕴含着宇宙在时间尺度上的演化信息，能够告诉我们宇宙在过去上百亿年中物质的结构演化历史。
除了研究宇宙的整体演化外，我们还可以通过CSST对单个星系进行精确观测与研究。比如可以对星系进行分类，研究不同星系的演化历程，探索银河系的过去和未来。通过观察宇宙不同时期的星系，我们就能够对这些星系的图像进行统计分析，对形态进行解读，并获得星系演化的密码。
巡天望远镜与大众参与除了帮助天文学家开展深空探索外，CSST对于普罗大众也有着非同寻常的意义。简单来说，它能够帮助每一位公众，用感官去更好地了解宇宙。
首先，CSST能够给公众带来数量庞大且精美的图像。这些原本被CSST捕捉的原始成像，在传回地面经过科学团队的处理后，能够形成美丽的彩色图像。这些图像一方面可以供天文学家进行科学研究，另一方面可以提供给每一位民众浏览，寻找自己感兴趣的天体。
▲哈勃天文望远镜拍摄的照片（供图/李然）
更为重要的是，我们如今的天文学研究，面对的是数量多达20亿个的海量星系。这样庞大的体量就决定了今天的天文学家无法像前人一样，对这20亿个星系进行逐个研究。
除了需要计算机和人工智能技术提供辅助外，还需要更多的公众参与进来。其中最简单也最直观的工作就是星系的分类：宇宙中的星系外形、颜色和结构千差万别，如何对星系进行分类就成为首要问题。这样庞杂的工作当然可以由计算机来代劳，但如何确定星系分类的标准却是很困难的事，由于星系的形态并不总是泾渭分明的，很多时候星系之间的区别非常模糊，这就需要研究者通过肉眼观察来制定分类依据。
但当面对20亿个星系这样超大规模的研究对象时，天文学家的数量是不够用的，因此星系划分标准的标定工作就需要对天文感兴趣的公众配合天文学家来开展。过去，天文学界曾发起建立了一个名为“星系动物园”（GalaxyZoo）的网站，他们将星系分类的一些最基本准则梳理在网站上，任何一个天文爱好者都可以浏览这个网站，对某个星系图像回答一些问题，比如该星系是圆形的还是扁平的，它有没有悬臂和星系核，等等。
通过天文爱好者的肉眼观察，并一步步回答天文学家设定好的问题，然后将这个星系放在合适的区域里，经过日积月累后，就能得到一个经过人眼识别的星系分类标准数据集。计算机依据这一数据集，可以自动化地实现对海量星系的分析——这样一个由天文学家、计算机和大量天文爱好者共同完成的工作，将是未来海量数据巡天时代的主流模式。
除了星系的分类研究外，CSST在观测这20亿个星系时，还会捕捉到很多前所未见、但可能对天文学理论产生重大影响的特殊天体。对于这些天体，人类不知道它们的模样，也很难用已知的方法把它们找出来。这个时候就需要借助人的眼睛，在这幅宇宙图景中寻找那些怪异的天体，并把它们提取出来，提供给天文学家进一步分析。比如存在于遥远星系的“爱因斯坦环”，这类特殊天体在CSST的镜头里可能存在10万个以上。如何从图像中找到它们，就需要公众参与进来，与天文学家合力完成。
▲两位年轻的业余天文爱好者用一个装在赤道仪上的三英寸折射望远镜观察夜空（供图/李然）
有些科学家专门制作了一些线上工具，集成了对天体进行测量、建模的基本功能，里面甚至包含了天体的物理参数。天文爱好者可以借助这些工具开展自己感兴趣的研究，比如测量某些天体的形态和重量等。
▲科学家专门制作了一些线上工具研究宇宙（供图/李然）
在未来，这些由CSST从天空中传来的信息，不仅可以提供给天文学家开展严肃的科学问题研究，同时也可以开放给所有对天文学感兴趣的公众，让他们去
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