讯天空间望远镜(Xuntian,又名中国空间站望远镜CSST)正成为全球天文学版图中新兴的重磅力量。相比传统的"深而窄"望远镜,讯天把目光投向"宽而快"的巡天策略:通过极大的视场与高分辨率相结合,在十年左右的工作时间内绘制覆盖约40%天空的光学与近紫外到近红外多波段图像,并同时进行无缝谱学观测。如此设计既为宇宙学提供海量统计样本,也为银河系、系外星系和系外行星等多个天文门类带来革命性数据资源。讯天的技术特征与科学目标值得逐一解读,以便理解其在国际天文事业中将承担的角色与长期影响。 从工程视角看,讯天是一台"城市巴士级别"的空间望远镜,总重量约1.55万千克,主镜直径2米。其核心光学系统采用Cook型三镜消差设计,并采取离轴布局以避免次镜和支撑结构对入射光的遮挡。
这一无遮挡设计不仅减少了因衍射造成的十字形星斑效应,而且保证了在超大视场下的点扩散函数(PSF)更为干净和稳定,从而显著提高弱引力透镜测量的精度。弱透镜科学极其依赖精确的形状测量和PSF控制,讯天的光学方案正是为此类精细分析量身打造的。另一个核心亮点在于其超广视场成像器:由约30块单元拼接而成的2.5吉像素相机,每次指向可覆盖远超哈勃望远镜的成像区域,单次观测视场约为哈勃的300倍,使得大范围巡天成为现实。 在观测策略与数据获取方面,讯天拟在十年左右执行主巡天计划,覆盖约17500平方度天空。主相机将在七通道多波段成像模式下运行,同时在三个波段实施无狭缝光谱观测(slitless spectroscopy),实现影像与光谱数据的协同获取。这种并行观测方式能在提高观测效率的同时,为恒星与星系提供更为丰富的物理信息,包括红移、金属丰度与星形成率等参数估计。
原始数据体量预计超过3PB,经过校准与处理后数据量将扩展至约20PB,体现出现代天文学面对的"大数据"挑战与机遇。数据开放政策也备受关注,中国方面已表示将向国际科学界提供讯天的数据访问,这有望推动全球范围内的跨国合作与联合分析。 讯天的科学使命可概括为两大主线:暗物质的分布测绘与暗能量的性质探测。暗物质通过引力影响可见物质与光线路径,弱引力透镜技术利用遥远星系形状的微弱相关变形来重建沿光程的质量分布。讯天广域、高分辨率、PSF稳定的影像能够为数以亿计的背景星系提供精确形状测量,从而在三维上绘制暗物质"宇宙网"。联合其他测量手段与数据集,将显著提升对宇宙结构形成与演化的理解。
关于暗能量,讯天将通过测量重子声学振荡(BAO)这一"标准尺"在不同时代的表现来追踪宇宙膨胀历史。其无狭缝谱学能力可为数百万星系提供红移信息,结合角尺度统计分析,能够对暗能量是否为常数或随时间变化提出更严格的约束。 除了核心的宇宙学课题,讯天的多功能仪器阵列也将支持广泛的天文研究。除2.5吉像素巡天相机外,首批搭载的还包括太赫兹接收机(用于研究冷分子云与恒星形成区)、多通道成像器(可在三通道同时观测以进行超深场研究)、积分视场光谱仪(为每个像素生成光谱,适合研究星系内部动力学与黑洞周围环境)以及行星成像用的掩星器/日冕仪(用于直接成像系外行星与尘盘)。这种多仪器组合使得讯天不仅是一个巡天机器,也能在指向性研究中迅速切换角色,支撑从星际介质到系外行星的大量专题项目。 在运行模式上,讯天提出了一个独到的策略:与天宫空间站保持共轨飞行但距离分离的"共轨伙伴"模式。
讯天不会直接固定安装在空间站上,而是在自己的轨道上独立运行,但保留与天宫定期交会对接的能力。这样的设计既避免了空间站振动、气体排放或结构遮挡等对精密光学观测的不利影响,又允许在需要时由航天员在轨维修、加注推进剂或更换/升级科学仪器。相比远地无法维修的望远镜,讯天的可维护与可升级性为其提供了延长寿命与跟随技术进步的可能性,形成一种可演化的太空观测平台范式。 国际比较方面,讯天与欧洲的Euclid望远镜和美国的南希·格雷斯·罗曼望远镜(Roman)在目标上高度重合,三者都面向大面积光学/近红外巡天与宇宙学问题。尽管外形与波段有差异,讯天偏向近紫外到可见光的观测,Euclid与Roman则在近红外上优势明显,这种谱段差异带来互补性,联合分析可以覆盖更宽的波长范围和更完善的系统误差交叉检验。与哈勃和詹姆斯·韦伯望远镜相比,讯天的定位也很清晰:不以超深小视场成像为主,而是以大面积、统计驱动的科学为核心。
未来三台宽视场巡天望远镜之间的数据互补与交叉比对,将有望显著推进对暗物质、暗能量与大尺度结构的理解。 数据开放与国际合作是讯天科学影响力能否最大化的关键。一方面,中国此前在FAST射电望远镜和阿尔法探测等领域已有逐步开放数据的先例,讯天的海量数据如果按合理的时间表向全球科研社区释放,将促进跨国团队的多学科合作。另一方面,地缘政治与法律限制,例如美国的相关法规,对中美航天机构间直接合作存在约束,但科学家层面的非官方合作、数据共享以及通过多边组织开展的合作仍然可行。学术界可通过共同开发开源分析工具、联合观测计划与交叉验证研究成果,实现多源数据的最大化利用。 展望未来,讯天不仅会在近年的宇宙学测量中留下深刻烙印,其可维护与可升级的设计还意味着它有潜力成为长期的太空观测平台。
随着观测技术、探测器性能和数据处理算法的进步,未来在轨更换更高灵敏度的探测器或新型光谱仪,将进一步延伸其科学生命力。与此同时,讯天所产生的大规模、多波段、带有光谱信息的数据集将推动人工智能、机器学习在天文学中的应用,从自动分类星系到发现变量天体与瞬变事件,都会借助讯天数据进行新的方法学创新。 总之,讯天空间望远镜结合了宽视场、高分辨率、并行成像与无狭缝谱学的能力,以及可在轨维护升级的运行模式,形成了一个面向21世纪大数据宇宙学与多学科天文研究的强大平台。在全球多台下一代巡天望远镜协同观测的背景下,讯天有望为揭示暗物质与暗能量的本质、绘制宇宙质量地图、以及推动行星科学与银河系研究贡献关键数据。随着发射与在轨验证的推进,国际科学界对讯天数据的期待也将持续上升,其最终对宇宙学与观测天文学的长远影响,值得继续关注与准备合作的机会。 。
