來源：格致論道講壇

　　“在空間站軌道上放一臺望遠鏡，這個望遠鏡成像的能力和哈勃望遠鏡類似，但它能夠同時觀察成千上萬的星系。”

　　李然

　　中國科學院國家天文臺星云計劃研究員

　　很高興能和大家分享“巡天空間望遠鏡”。這臺望遠鏡將是有史以來中國天文學界獲得的最昂貴、也是最先進的觀測儀器。在未來幾年，它將會發射到太空軌道上去。

　　接下來我會和大家分享，我國為什么要做這樣一臺望遠鏡？它將會開展哪些科學工作？

　　Part.1

　　為什么要建造望遠鏡？

　　從下圖中，我們可以看到：一個人站在荒漠上看向遠方的時候，他看到的是非常美麗的銀河橫亙在天際之中。

　　這條銀河由無數的恒星構成，其中有一些小小的紅色云狀物，那可能是一些恒星的形成區域。在這張圖上，我們也可以看到黑色的暗道，它是銀河的塵埃遮擋了更遠處的恒星所造成的。

　　一個人在荒原上，不依賴任何儀器去看向這個宇宙。他可以通過看到的星空了解自己在整個宇宙中的位置，雖然感受到自己在宇宙中的渺小，但其思考在這樣一個浩瀚的宇宙中卻極具意義。

　　但是，必須要和大家講的一點是，這張照片某種程度上并不是真實的。因為當我們到野外去的時候，肉眼看不到這么漂亮的星空。

　　肉眼觀察（左）和相機拍攝（右）

　　我們可以看到上圖中的對比。左圖是我們肉眼看到的銀河的樣子，而右邊是我們用相機拍攝到的銀河的樣子。

　　我們的眼睛太小了，所能用于接收光的面積非常小。所以，當我們去看星河的時候，看到一條銀色的條帶。如果沒有現代的科技知識，我們并不知道這個銀色的條帶是什么。

　　這也是所有古代人面對的困難。他看夜空的時候，會覺得非常美麗，但很遺憾的是，他的眼睛并不是為這個夜空進化而來的。他能夠看到有些東西在發光，但不知道這是什么，也不知道這條銀河是什么。人類編出各種各樣的神話故事來解釋它，希臘神話認為它是一條牛奶路。我們中國的古代神話認為它是一條長河橫亙在天際之間，使得牛郎和織女分隔在河的兩邊，不能相見。

　　科學家改變了這一切。伽利略在1609年的時候，第一次將望遠鏡指向了天空，他發現幾件非常讓人震驚的事情。

　　伽利略和第一架天文望遠鏡

　　他看到月球上有很多環形山和巖石，并不像人們想象中那樣是一個由巨大奶酪構成的圓球。當他用望遠鏡指向銀河的時候，還發現銀河由非常多星星構成，并不是一條彌漫在空中的發光的長帶。從那時開始，人類能夠真正用科學的武器去了解銀河，而不僅僅只訴諸于感性。

　　我們可以思考一下，與肉眼相比，伽利略的望遠鏡到底有什么所長呢？那就是它有一個透鏡。這個透鏡可以匯聚來自宇宙的光線。雖然伽利略的望遠鏡所用的透鏡的不大，但它接受光線的能力已經比人的眼睛要強50倍。如果想要看得比伽利略更遠，就需要去造一個更大的鏡子。

　　左邊的這張圖是威廉·赫歇爾和他的妹妹卡羅琳·赫歇爾。在17世紀末的時候，他們建造了一臺在當時非常巨大的望遠鏡。從右圖中我們可以看到，這個望遠鏡大概有幾層樓那么高。它的主鏡，即用來接收光的鏡面的直徑有一米多，相比之下人類的瞳孔只有幾毫米。

　　非常有意思的是，威廉·赫歇爾其實還是一位音樂家，他在英國的一個叫做巴斯的地方演奏。英國的冬天非常冷，這個地方也不例外，所以冬天沒有人到這個地方來療養。他覺得很無聊，就在書店里買到了天文學的書籍。閱讀這些書籍催生他的一個想法：為什么我不自己做一個望遠鏡呢？結果，他做出來了一臺當時其他所有的專業天文學家都沒辦法做出來的望遠鏡。

　　赫歇爾兄妹用這臺望遠鏡做了很多重要的研究，其中一件就是發現了天王星。人類依賴肉眼能夠看到的行星有水星、金星、火星、木星和土星。當赫歇爾造了大望遠鏡之后，人類才又一次發現了一顆新的行星——天王星。

　　赫歇爾的銀河恒星計數和銀河邊界探索

　　他還用這臺望遠鏡去掃視我們的天空，向各個方向去數星星。有的方向星星少，他就猜這個方向銀河的邊界比較近；另一個方向的恒星多，他就猜那個方向的銀河邊界比較遠。他用這樣的方法畫出了近代歷史上第一張銀河系的地圖。雖然并不是那么準確，但這是人類第一次利用科學的力量去測繪宇宙到底是什么樣的。

　　時間推移，到了19世紀末20世紀初的時候，人們建造了更大的望遠鏡，最有名的就是胡克望遠鏡。胡克是一名非常有錢的商人，他資助建造了一個口徑兩米的望遠鏡。年輕的天文學家埃德溫·哈勃，用這樣一架望遠鏡去觀察一些叫做星云的東西。

　　胡克望遠鏡（左）和埃德溫·哈勃（EdwinHubble）（右）

　　人肉眼能夠看到的天上的星星大概有6000顆。那夜空中除了星星以外還有什么？你會發現還有一些非常亮的云霧一樣的天體，這些就是星云。它們是什么？它們是銀河系中的氣體被恒星照亮了嗎？還是說它們是在遙遠距離上的巨量恒星構成的世界呢？

　　1923年，哈勃用胡克望遠鏡在其中一朵星云周圍找到了一顆可以測量距離的恒星。通過測量距離就可以知道，這朵在宇宙中發光的云，它的距離要遠遠超過任何一個銀河系內恒星的距離。一個天體離我們越遠，它就會顯得越暗。那這個離我們非常遠的天體，它本來應該是很亮的。有多亮呢？它其實和銀河系一樣亮，甚至恒星的數目可能比銀河系更多，包含著上百億、上千億顆璀璨的恒星。

　　我們看到這張圖片是一個照相干板。在哈勃的時代，人們在一個玻璃上面涂抹感光涂層，將它放置在望遠鏡成像的地方。如果某個區域接收到的光越多，化學反應就會越強烈，會看到這個地方越黑。所以，這張圖上最黑的地方是恒星最密集的地方。

　　哈勃在這張照片的右上角用紅色標注了三個字VAR。VAR指變星，這顆星的光度在周期性的變化。這顆星的距離是可以測定的，對它的測量改變了我們對宇宙認知的歷史。

　　Part.2

　　為什么要把望遠鏡放到天上去？

　　我們想要建造更大的望遠鏡是因為要接收到更多的光，這樣才能看到更暗的天體。但除了觀察暗弱的天體，天文學家還想要把天體看得越來越清晰。

　　我們用肉眼去看遠處的一個東西，可能會看到它是模模糊糊的一團。但當我拿一個望遠鏡去觀察它的時候，就會發現那個東西可能是一只大熊貓。望遠鏡可以幫助我們分辨遠處的物體。

　　當我們去看宇宙的時候，我們也想去分辨出來宇宙里的一些天體的結構。只有我們知道了它的結構，我們才能了解它的起源，才能了解它的演化。

　　于是，人類就想建更大的望遠鏡。但你會發現，在地面上不管把望遠鏡建到多大，我們都很難非常清楚地在可見光的波段去分辨一些遙遠天體的細節。為什么？因為大氣在抖動，我們的地球被包裹在一個100公里左右厚度的大氣中，這個大氣在不斷的抖動。望遠鏡透過大氣去觀察宇宙的時候，不可避免地受到大氣抖動的影響，觀察到的圖像就會模糊，所以就有人想把望遠鏡放到大氣層外，放到地球軌道上面去。

　　1946年，美國的天文學家萊曼·斯皮策就想到這件事情。這是一件非常驚人的事情，因為1946年人類還沒有把任何東西放到軌道上去，但是天文學家說應該把望遠鏡放上去。

　　到了1990年的時候，美國宇航局終于把一個光學望遠鏡放到了軌道上，就是我們知道的哈勃望遠鏡。哈勃望遠鏡經歷了非常多的波折，從概念提出到建成，用了40多年才進入到宇宙中。

　　然而，當哈勃望遠鏡開始運行，人們發現它出了問題。在地面上磨制鏡面的時候，留下了一點非常微小的誤差。結果它雖然到了太空中，看所有的星星還是模糊的。

　　放在太空軌道上的哈勃望遠鏡（左）和進行太空維修作業的航天員（右）

　　美國的航天員不得不又經過了600個小時的太空維修，給它安裝了一個改正鏡。這就像我們很多人，需要戴一個眼鏡就可以看得更清楚，人們不得不給哈勃再戴一個眼鏡，才能夠讓它看得更清楚。

　　地面望遠鏡（左）和哈勃望遠鏡（右）觀看的IC4710星系

　　哈勃望遠鏡最終沒有辜負人們的等待。我們可以看到左圖是地面望遠鏡拍到的一個星系的圖像，非常漂亮，藍色的、絮狀的星系，很有詩意。

　　但是，我們去看右圖哈勃望遠鏡拍到的這張圖片，里面的星云分解成了一顆一顆的恒星。我們能知道它們的亮度，顏色?？梢詠硗茢噙@樣的一個星系是如何形成的。

　　沒有什么比哈勃望遠鏡超深場圖像更能夠說明哈勃望遠鏡的威力。如果我們伸出自己的手，食指的指甲蓋大概能夠擋住一平方度的天空。如果你把手伸直，手指甲蓋剛好可以擋住月球，也就是說月球的面積稍小于一平方度。

　　哈勃望遠鏡能夠看到的天空很小，右邊這張圖只占月球幾百分之一的面積。哈勃望遠鏡特意在天空中找了一塊看起來沒星系，非常黑的地方去拍攝。經過了數百小時的曝光之后，這塊天區出現了上萬個星系，像寶石一樣從虛無一物的空間里面顯現出來了。這些星系太暗了，所以只有這樣的太空望遠鏡，才能夠將它們展現給大家。

　　這樣的一張圖片是歷史上人類所能獲得的宇宙最深處的光學波段影像，最遠的一些星系對應著宇宙誕生后10億年的時刻。如果想去了解宇宙的演化，我們就要去看這張圖像。這就是哈勃望遠鏡做到的非常棒的事情。

　　Part.3

　　如何超越哈勃望遠鏡？

　　哈勃望遠鏡在1990年升空，到今年已經31年了。哈勃望遠鏡是一臺能夠在很小的視野范圍里，非常精細地觀察天空的望遠鏡。在今天，如果我們想在空間站上造一臺望遠鏡，怎樣才能夠超越這樣一個傳奇，利用望遠鏡去更深地仰望我們的星空，更多地探索宇宙的知識呢？我們不能固步自封，時間已經過去了30年。

　　其實是有辦法的。下面左圖是一匹角馬，它是生活在非洲草原上的動物。如果拿一個長焦鏡頭去觀察它，我們可以把它觀察得非常細致。但是非洲草原上可能有成千上萬的角馬，它們在這個草原上要遷徙，那么想研究它們的遷徙怎么辦？我拿一個廣角鏡頭去拍攝，就是下面右邊的這個圖像。

　　精測模式（左）和巡天模式（右）

　　那我們想要做的是什么？中國載人航天工程想要做的是右邊這樣的事情，在空間站軌道上放一臺望遠鏡，這個望遠鏡成像的能力和哈勃望遠鏡類似，但它能夠同時觀察成千上萬的星系。

　　如果拿非洲草原做比較，我們需要的望遠鏡可以觀察整個非洲草原上的動物遷徙，同時里面每一個動物的精細程度都要和左圖是一樣的。

　　中國空間站-巡天空間望遠鏡（CSST）

　　這就是中國空間站巡天空間望遠鏡的理念。它是一臺主徑口徑兩米的望遠鏡，大小大概是一輛大巴車。它收集光的鏡面直徑兩米，哈勃望遠鏡是兩米四，我們比它稍小一點兒，但是圖像質量是類似的。

　　巡天空間望遠鏡與空間站共軌飛行

　　巡天空間望遠鏡和空間站是共軌飛行的，沒有對接在空間站上。為什么不對接在空間站上呢？因為空間站會有抖動，而且空間站很亮，會讓望遠鏡在拍照的時候受到影響。所以，巡天空間望遠鏡和空間站在一個軌道上，但相互距離還挺遠的。

　　但是，巡天空間望遠鏡可以回到空間站，與它進行對接，更新、升級儀器。這臺望遠鏡大概會在2024年前后投入運行。

　　我們想象一下，大家自己家里的照相機一年可以拍幾次照片？巡天空間望遠鏡在它的整個生命周期里要拍60萬次照片，將全天超過三分之一的圖像送回地球上，供我們全世界所有的科學家進行研究。

　　Part.4

　　巡天空間望遠鏡會帶給我們什么？

　　當有了這個望遠鏡以后，我們可以做什么？

　　首先，過去所有的精測望遠鏡只能看到一兩個星系，現在我們通過巡天空間望遠鏡，能夠成千上百倍地去看它。很多現在看來奇怪的，稀少的天體，在巡天空間望遠鏡的時代都會被大量的觀察到。

　　星系高清普查

　　我們將會看到很多碰撞的星系，看到很多發生恒星爆發的星系，看到很多正在進行劇烈活動的星系，將來我們會有大量這樣的圖像。

　　拍攝大尺度的近鄰星系（M33： Subaru望遠鏡/ Hubble Space Telescope）和星系團（Hubble Frontier  Field）

　　其次，因為巡天望遠鏡視場面積很大，我們可以看一些很大的東西。比如一個近鄰的星系，我們這里說的星系大小是它在天上的角尺度。一個星系如果非常遠，它看起來很小，離我們非常近的時候就看起來很大。如果拿一個“長焦鏡頭”去拍攝近處的這些星系，需要拍攝很多次讓后把照片拼起來。借助巡天空間望遠鏡，我們就可以一下子把整個星系拍攝到照片里，讓科學家進行研究。

　　我們也可以去拍攝一些星系團，這些星系團是宇宙里最大的結構，包括成百上千個非常明亮的星系。過去哈勃望遠鏡花了巨量的時間極其精細地拍了其中的6個，稍微不那么精細的地拍了幾十個。未來，會有數萬個這樣的星系團被巡天望遠鏡觀察到。

　　但巡天望遠鏡要做的最重要的一件事情，不是去看宇宙中的一些明亮的天體，而是試圖去看宇宙中那些看不見的東西。

　　巡天望遠鏡最適于測繪暗物質全景地圖

　　在我們的宇宙中，暗物質的總質量是普通物質的5倍以上。暗物質不發光，也不和普通物質發生相互碰撞。那么，怎么去看到這些看不見的物質？巡天望遠鏡將會觀測一種叫做引力透鏡的效應。所謂引力透鏡并不是一個真的透鏡，而是把宇宙中的一些天體當成透鏡來研究宇宙。

　　引力透鏡效應

　　我們假設遙遠的宇宙中有一顆恒星，或者有一個星系，它發出了光。在這個光線行進的路徑上存在著宇宙中各種各樣其他的天體，這些天體的存在會使得宇宙的空間微微的彎曲。

　　我們的宇宙空間會微微的彎曲，這是愛因斯坦的廣義相對論中的一個效應：僅僅因為質量的存在，宇宙就會彎曲。我們存在在這兒，我們周圍的空間也會微微的彎曲，但是程度非常小。天體的質量很大，它可以使宇宙的空間彎曲地稍微厲害一點兒。隔著彎曲的空間去觀察遙遠的宇宙，遠處星系的形態就會微微變形。

　　宇宙的引力透鏡效應

　　我們有點像魚缸里的魚，透過魚缸去看外邊的世界，這個世界實際上是有扭曲的，只是扭曲的程度非常輕微，所以我們一般感覺不到。但是，當我們有了巡天空間望遠鏡海量的精確的星系圖像，我們可以去測量每一個星系的形狀，測量出每一個星系到底是圓的還是橢圓的？到底有多橢？

　　如果宇宙中沒有暗物質、物質的話，這些星系的形狀會是隨機分布的。有的胖一點兒，有的扁一點兒，有的朝東，有的朝西。如果存在引力透鏡效應，那么這些星系的形狀、擺向就不是那么隨機了。如果在一個小的天空區域里去平均這些星系的形狀，你會發現它有一個殘余。這個殘余就標志了引力透鏡效應的存在，同時也幫助我們去尋找暗物質。

　　精確地研究宇宙的全景成為可能

　　上面是一個示意圖，我們去測量每一個星系的形狀，然后進行一些數學分析、物理分析，就得到了右邊這張紅色的圖像。紅色里越亮的地方顯示越多的物質，越黑的地方顯示越少的物質。在非常大的尺度上，我們的宇宙布滿了巨大的空洞和暗物質為主的巨大的纖維狀網絡。這里每一個空洞的大小都是我們剛才看到的那個璀璨的星系團大小的數十倍甚至上百倍。

　　繪制暗物質宇宙的地圖

　　更有意思是，所有的星系處在不同的距離，所以我們可以把它們按照距離進行分類。越遠距離的星系發出來的光，到達我們的時間就越長，實際上我們看到的是它越早時期的一個圖像。當把宇宙中所有的星系進行分類，并測量形狀之后，科學家就可以做到一件很厲害的事情：把宇宙的物質結構的演化做出來。

　　什么叫物質結構的演化呢？物理學家認為，在最早期的時候，宇宙各個地方的密度是完全均勻的。宇宙中沒有恒星、星系，沒有我們看到的這個璀璨的世界。它們都是演化出來的。巡天空間望遠鏡將通過60萬次的曝光，將三分之一的宇宙天空的圖像記錄下來，而且它們都有非常高的圖像質量。這樣的能力，使得我們有辦法去研究宇宙物質的演化，不僅是可見的宇宙，還包括我們看不見的宇宙。

　　這是人們經常用的一個示意圖。圖片最左邊就是宇宙大爆炸。大爆炸之后，宇宙里只有最基本的粒子。隨著宇宙的膨脹，這些粒子會冷卻、結團，結團的地方會形成恒星。恒星聚集形成星系，星系不斷地演化、合并，最后產生我們所在的這個璀璨的星系世界。未來，宇宙中數十億的星系圖像都會記錄到我們人類的計算機里。大家可以隨時把這些星系的數據下載到你們的電腦里觀賞，或者進行科學分析。

　　我們巡天空間望遠鏡上不僅搭載了非常厲害的巡天相機，還有豐富的精測儀器。

　　其中有的儀器可以幫我們去觀察星系中的碳元素；有的儀器可以讓我們去看有沒有行星在圍繞這些恒星轉；還有一個具備精測能力的相機，可以去拍攝一個小視場的、非常精確的圖像；另一個非常有意思的儀器叫做積分視場光譜儀，它可以把一個星系每一個位置處都拍一條光譜，這條光譜會告訴我們星系在這個位置處各種各樣的物理信息。

　　當這些豐富的精測儀器和巡天相機拍攝的圖像結合到一起的時候，科學家就有能力去從一個小的尺度到一個廣大的尺度，從地外行星，到恒星，再到星系，一直到我們所在的宇宙進行一個全景的了解。

　　在巡天空間望遠鏡運行后，我們將會迎來一個天文學的黃金時代，我很期待這個時代的到來。謝謝大家！