我国的月基光学天文望远镜访中国科学院国家天文台魏建彦研究员

2014-04-16

天文爱好者 2014年6期

□ 本刊记者

□ 本刊记者

2013年12月2日，北京时间凌晨1时30分，成功发射嫦娥三号落月探测器

2013年12月2日，北京时间凌晨1时30分，我国在西昌卫星发射中心，用长征-3B改进型火箭成功发射嫦娥三号落月探测器，并将其送入近地点高度210千米、远地点高度约36.8万千米的地月转移轨道。12月14日，嫦娥三号探测器经历黑色720秒的考验，于21时11分成功着陆在月球西经19.5度、北纬44.1度的虹湾以东地区。12月15日，各项设备顺利开展工作。此次嫦娥三号的任务可概括为“巡天观地测月”，其中安置在着陆器上的“月基光学天文望远镜”就是在月球上开展天文观测研究的“巡天”设备。它是我国首次在月球上放置的天文望远镜，也是国际上首次在月球上进行自动天文观测的天文设备。关于它的身世，请聆听中科院国家天文台魏建彦研究员的讲述。

Q1月基天文望远镜是中国探月工程的一部分，请您介绍一下相关的背景情况。

在2006年2月9日发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中，月球探测工程被列为我国16个重大科技专项之一。按照月球探测的科学和工程目标，国家制定了月球探测“三步走”的中长期规划。月球探测将分为“绕、落、回”三期工程分步实施。其中，月球探测一期工程已于2007年10月成功发射了嫦娥一号“绕”月探测卫星，目前此卫星已发回大量遥感数据，获得了全月球影像图等重要科学成果，任务取得圆满成功。

月球探测二期工程嫦娥三号的科学目标可概括为：月表形貌与地质构造的探测和研究；月表物质成分和资源勘察；地球等离子体层的探测与月基天文观测。为了实现探月二期工程科学目标中的月基天文观测，中国科学院国家天文台提出研制月基光学望远镜的建议。

嫦娥三号着陆器

Q2同地球上的望远镜相比，在月球上进行天文观测有哪些优势？

在月球上进行天文观测的优势是由月球自身的物理状况决定的，具有以下几方面的优势：

1月球不存在大气，没有大气窗口和大气发射问题。由于大气吸收，来自宇宙空间的电磁波只能在一些特定波长窗口才能穿透地球大气，如可见光、近中红外和毫米波、射电波。另一方面，地球大气有从紫外到近红外的荧光发射、红外和毫米波热发射、和散射，构成天文观测的强干扰背景，这也是对相应波段天文观测的主要限制之一。

2相对于地球，月球上的恒星周日运动较缓慢，对天体的连续可观测时间长。由于昼夜交替，地面难以获得长时间的连续观测资料。而月球自转周期是27.3天，比地球上慢27倍，因此，在月球上可以对天体进行长时间的不间断监测，原则上可达到一个星期乃至更长的时长。

3月基观测不存在大气扰动所导致的天文视宁度问题。地球的大气扰动，在光学天文上表现为星象的不规则运动和弥散，以及星象亮度的快速变化，这就是通常大家看到的星星“眨眼”，天文上则用视宁度来做定量描述。大气扰动严重影响了地基天文观测的效率、精度和成像分辨率。

4月球极区可能存在永久的极端低温环境。月球两极附近的环形山底部永远不受太阳和地球的照射，环境温度很可能恒低至约30K，从这一方面来看那里有可能是进行红外天文观测的理想场所。

5月球背面不受地磁环境和人类无线电活动的影响，是射电宁静的，并且允许地球大气电离层截止频率以下（<10MHz）的长波射电观测。

月基光学天文望远镜结构示意图

Q3国外有没有月基天文望远镜？

1972年，阿波罗16号曾经在月球上使用远紫外观测设备，由宇航员手动操作拍摄了一些天体的照片。这是一台口径3英寸（约76mm）的施密特望远镜，终端仪器是远紫外相机/摄谱仪（100~160nm），被用来拍摄地球、星云、星团和大麦哲伦星系。整个系统安放在一个简易的三脚架上并置于登月舱的影子里以避免白天过热。远紫外相机的视场为20度，可以拍摄到11等的天体。宇航员用它拍摄了178幅图像并记录到磁带上带回了地球。

长期以来，天文学界都在对月基天文观测的可行性和重要性进行研究探讨；而随着各国探月与登月计划的重启，这方面的研究热度又开始迅速升温，特别是建议在月球背面开展长波射电天文观测。我国嫦娥三号上的月基望远镜是一台小尺寸但功能较完整的、可自动观测的近紫外天文望远镜，一方面利用它做某些在地面上难以实现且有一定科学价值的观测，另一方面获取在月基环境条件下进行天文观测的宝贵经验。

月基光学天文望远镜实物图片

Q4请简单介绍一下我国月基光学望远镜的系统组成。

月基光学望远镜安置于嫦娥三号着陆器上，主要由探头及支架、反射镜转台、电缆组以及附属控制系统组成。产品总重量13.6kg，外形尺寸为615mm×350mm×350mm；望远镜的物镜口径为150mm，视场大小1.36×1.36平方度；光学系统为RC系统（里奇-克列基昂系统），焦点为耐氏焦点；指向反射镜装置采用二维转动转台；探测器采用1k×1k紫外增强型帧转移CCD；滤光膜镀在校正镜上，近紫外透过，光学截止，工作波段245~340nm，非常接近哈勃空间望远镜（HST）的F300X滤光片。

嫦娥三号月球着陆器及月基光学天文望远镜在月球上的位置

月基光学天文望远镜发布的首张星图

月基光学天文望远镜对天鹅座XZ变星的观测，该变星属于天琴座RR型变星，坐标（J2000.0）：RA 19h32m29.3s，DEC +56°23′17"，光变周期：0.4666

Q5月基光学望远镜的工作原理如何？

月基光学望远镜是通过二维转台转动反射镜指向不同指定天区，并对天体进行必要的步进跟踪。反射镜反射来自天空（天体）的辐射，由望远镜收集后在焦平面上成像。安装在焦平面上的CCD探测器将光子转化为电子，再由读出电路将其放大并数字化后记录下来。

月基光学望远镜直接获取的是天体通过光学系统在焦平面探测器上所成的图像，从图像上可以获得天体在探测器上的位置和天体亮度。依据月球运动规律，可以把探测器上记录的天体位置转换到天球坐标上的位置。探测器记录下的天体亮度需要经过一系列的仪器效应改正（如本底场、暗场、平场等），并将改正后的天体亮度与选定的比较星或标准星的亮度比较后可以得到天体亮度的真实变化。

Q6为什么采用150mm的较小口径和近紫外波段观测呢？

考虑到资源有限，我们提议的月基光学望远镜的口径为150mm；而为了优化科学产出，我们把它的工作波段定在近紫外。由于地球大气的吸收和散射，地球大气对于小于320nm的紫外光基本上是完全不透明的，而320~400nm这个勉强可见的大气窗口（天文上定义为U波段），在地基天文观测中的实际使用频率也很低。我们提出的望远镜工作波段200nm~360nm的观测很难在地面开展。

Q7您带领的团队是如何确定月基望远镜的科学目标的？

研制月基光学望远镜主要是为了实现在近紫外波段对各种天文变源的亮度变化行为进行长时间的连续监测。对于很多重要的天文变源，导致其亮度变化的物理过程，其主要辐射区的温度往往高达10000K以上。因此，在近紫外波段的观测要比可见光波段有利，并且更能接近辐射的核心区及所对应物理过程的本质。月基观测完全避开了地球大气的吸收和散射，使得近紫外观测成为可能。另外归功于月基上缓慢的恒星周日运动，可以对所选定的天文变源进行最长可达数天至约十天的不间断监测，从而能更彻底地揭示各种复杂的光变行为，进而揭示造成光变的物理机制。这样长时间的持续观测，是通常低轨天文卫星难以实现的，也发挥了月基观测的优势。

此外，银道面上存在大量的OB星协、大质量恒星形成区、行星状星云等强紫外发射天体，在近紫外波段做大视场的成像观测将是研究恒星形成和恒星晚期演化的重要手段。这将填补GALEX卫星因为技术原因不能对低银道带进行巡天所留下的空白。

综上所述，月基光学望远镜的科学目标主要集中在两个方面：对一些重要天体的光变进行长期连续监测，观测研究其变化特性和物理机制；对低银道带进行巡天观测，获得巡天星图和星表。

天鹅座XZ变星的光变情况

Q8请您具体说一说科学目标包含哪些天文研究课题？

就天文变源而言，其种类繁多，而考虑到月基光学望远镜在口径和测光精度方面的限制，要求观测目标的光变比较剧烈、时标可从数分钟到约一两天且在近紫外波段较亮。经过调研及国内天文学家的建议，我们把月基光学望远镜的监测对象归为四个大类，分别是激变变星等含致密星的相互作用双星、活动星系核、类太阳色球活动星、天琴座RR等短周期脉动变星。选源的方法之一可以是把这些变源的已知星表跟GALEX卫星的近紫外巡天星表进行交叉，找出亮度和天区落在月基光学望远镜的可观测范围内的源。

Q9从技术角度考虑，月基光学望远镜对我国天文发展有什么意义？

空间天文在我国处于刚刚开始的阶段，空间天文设备研制和运行的实际经验都很缺乏，到目前为止，除了正在运行的月基光学望远镜，我国在2001年，在神舟二号搭载过“宇宙伽马暴监视器”。月基光学望远镜口径虽小，却是“五脏俱全”，尤其是具有二维转动指向功能，以及器上观测计划解析、执行、图像处理等复杂的软件功能，因此，月基望远镜的论证、研制和运行将为我国后续空间天文望远镜的研制和运行提供重要的经验和积累。

月基光学望远镜在月面工作，望远镜工作环境比较严酷，例如月球环境温度的剧烈变化、无遮挡的太阳辐射等严酷条件，以及对系统重量、体积和功耗等方面的苛刻要求，都对望远镜提出了许多更新更高的要求。因此，需要研究新的系统优化设计方法，并开展关键技术的攻关，以便能够研制出体积小、重量轻、功耗低、环境适应能力强、性能稳定可靠的月基光学望远镜。月基光学天文望远镜关键技术的研究，将推动我国在航天光学和机械部件轻量化、CCD探测器技术、星载处理技术、热控技术等领域的技术储备和提高。

相互作用的双星示意图

Q10上面提到的天文研究课题都是利用近紫外波段进行研究的，请您谈一谈国际紫外空间天文观测现状。

目前国内外在紫外和近紫外波段的观测天文学，其发展速度相对光学、红外等其他波段而言还有待提高。早期的紫外天文观测尝试是通过搭载火箭、卫星和载人飞船进行的；现代紫外天文学的真正开端是1972年发射的欧洲TD-1卫星，它巡天发现了5万多个紫外源（150~280nm），然后是1974年发射的荷兰天文卫星ANS对5千多个源进行定点观测（150~350nm）。最成功的紫外天文卫星是1978年发射的IUE，它工作了18年，用一台口径45cm的望远镜拍摄了近1万个源的大量光谱（110~320nm）。20世纪80~90年代还有约10个搭载的紫外天文设备，或多或少取得了一些成果。当然，哈勃空间望远镜（HST）也有紫外波段的观测能力（120~300nm）。

21世纪已经工作的紫外天文设备，除了XMM-Newton卫星和Swift卫星上的口径30cm的光学/紫外望远镜（160~600nm），最重要的是1997年发射的GALEX卫星，它使用口径50cm的望远镜在135~180nm和180~280nm这两个波段做全天巡天，深度达到了近21等；巡天已发现的源数目巨大，并且包含有大量的变源。准备上天的或正在计划中的紫外天文观测设备不多，有印度卫星ASTROSAT上的紫外望远镜（120~300nm），印度－以色列小卫星TAUVEX（140~320nm），以及俄、欧等国合作的国际紫外天文台项目WSO。

XMM-Newton (X-ray Multi-Mirror Mission - Newton）卫星是欧空局发射的X射线天文卫星

Q11我国的月基光学望远镜，已经在月球开展了正常观测，你认为我国这台望远镜有哪些独特之处或者说成功之处？

月基光学望远镜包括三种工作模式：待机模式，处于加电但不获取探测数据状态；指向调整模式，处于指向调整状态；探测模式，处于开机获取探测数据状态。在进行天文观测时，首先依据地面上传的观测计划，生成观测指令，调整反射镜指向，待反射镜指向目标到位稳定后，探测器开始曝光，如果目标偏离视场，则结束曝光再次调整反射镜指向，如此反复，直至地面上传指令结束观测任务或超出工作边界条件，进而等待下次指令。

月基光学望远镜具有以下特点：人类首次尝试依托地外天体平台开展自主天文观测；自动化程度高，在月面任意正常的着陆姿态下，通过位置定标，望远镜能够实现精确指向和步进跟踪控制，国内首次在具有空间环境适应性的计算机单元上实现天文图像中目标的识别、匹配及提取；重量轻，通过轻质复合材料的选取以及结构优化实现超轻量化；月面环境适应性强，可在-20℃~40℃的温度范围内不依赖调焦机构满足望远镜工作指标要求。