□ 本刊記者

我國的月基光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡訪中國科學(xué)院國家天文臺(tái)魏建彥研究員

□ 本刊記者

2013年12月2日，北京時(shí)間凌晨1時(shí)30分，成功發(fā)射嫦娥三號(hào)落月探測器

2013年12月2日，北京時(shí)間凌晨1時(shí)30分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，用長征-3B改進(jìn)型火箭成功發(fā)射嫦娥三號(hào)落月探測器，并將其送入近地點(diǎn)高度210千米、遠(yuǎn)地點(diǎn)高度約36.8萬千米的地月轉(zhuǎn)移軌道。12月14日，嫦娥三號(hào)探測器經(jīng)歷黑色720秒的考驗(yàn)，于21時(shí)11分成功著陸在月球西經(jīng)19.5度、北緯44.1度的虹灣以東地區(qū)。12月15日，各項(xiàng)設(shè)備順利開展工作。此次嫦娥三號(hào)的任務(wù)可概括為“巡天觀地測月”，其中安置在著陸器上的“月基光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡”就是在月球上開展天文觀測研究的“巡天”設(shè)備。它是我國首次在月球上放置的天文望遠(yuǎn)鏡，也是國際上首次在月球上進(jìn)行自動(dòng)天文觀測的天文設(shè)備。關(guān)于它的身世，請聆聽中科院國家天文臺(tái)魏建彥研究員的講述。

Q1月基天文望遠(yuǎn)鏡是中國探月工程的一部分，請您介紹一下相關(guān)的背景情況。

A

在2006年2月9日發(fā)布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》中，月球探測工程被列為我國16個(gè)重大科技專項(xiàng)之一。按照月球探測的科學(xué)和工程目標(biāo)，國家制定了月球探測“三步走”的中長期規(guī)劃。月球探測將分為“繞、落、回”三期工程分步實(shí)施。其中，月球探測一期工程已于2007年10月成功發(fā)射了嫦娥一號(hào)“繞”月探測衛(wèi)星，目前此衛(wèi)星已發(fā)回大量遙感數(shù)據(jù)，獲得了全月球影像圖等重要科學(xué)成果，任務(wù)取得圓滿成功。

月球探測二期工程嫦娥三號(hào)的科學(xué)目標(biāo)可概括為：月表形貌與地質(zhì)構(gòu)造的探測和研究；月表物質(zhì)成分和資源勘察；地球等離子體層的探測與月基天文觀測。為了實(shí)現(xiàn)探月二期工程科學(xué)目標(biāo)中的月基天文觀測，中國科學(xué)院國家天文臺(tái)提出研制月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的建議。

嫦娥三號(hào)著陸器

Q2同地球上的望遠(yuǎn)鏡相比，在月球上進(jìn)行天文觀測有哪些優(yōu)勢？

A

在月球上進(jìn)行天文觀測的優(yōu)勢是由月球自身的物理狀況決定的，具有以下幾方面的優(yōu)勢：

1月球不存在大氣，沒有大氣窗口和大氣發(fā)射問題。由于大氣吸收，來自宇宙空間的電磁波只能在一些特定波長窗口才能穿透地球大氣，如可見光、近中紅外和毫米波、射電波。另一方面，地球大氣有從紫外到近紅外的熒光發(fā)射、紅外和毫米波熱發(fā)射、和散射，構(gòu)成天文觀測的強(qiáng)干擾背景，這也是對相應(yīng)波段天文觀測的主要限制之一。

2相對于地球，月球上的恒星周日運(yùn)動(dòng)較緩慢，對天體的連續(xù)可觀測時(shí)間長。由于晝夜交替，地面難以獲得長時(shí)間的連續(xù)觀測資料。而月球自轉(zhuǎn)周期是27.3天，比地球上慢27倍，因此，在月球上可以對天體進(jìn)行長時(shí)間的不間斷監(jiān)測，原則上可達(dá)到一個(gè)星期乃至更長的時(shí)長。

3月基觀測不存在大氣擾動(dòng)所導(dǎo)致的天文視寧度問題。地球的大氣擾動(dòng)，在光學(xué)天文上表現(xiàn)為星象的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)和彌散，以及星象亮度的快速變化，這就是通常大家看到的星星“眨眼”，天文上則用視寧度來做定量描述。大氣擾動(dòng)嚴(yán)重影響了地基天文觀測的效率、精度和成像分辨率。

4月球極區(qū)可能存在永久的極端低溫環(huán)境。月球兩極附近的環(huán)形山底部永遠(yuǎn)不受太陽和地球的照射，環(huán)境溫度很可能恒低至約30K，從這一方面來看那里有可能是進(jìn)行紅外天文觀測的理想場所。

5月球背面不受地磁環(huán)境和人類無線電活動(dòng)的影響，是射電寧靜的，并且允許地球大氣電離層截止頻率以下（<10MHz）的長波射電觀測。

月基光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)示意圖

Q3國外有沒有月基天文望遠(yuǎn)鏡？

A

1972年，阿波羅16號(hào)曾經(jīng)在月球上使用遠(yuǎn)紫外觀測設(shè)備，由宇航員手動(dòng)操作拍攝了一些天體的照片。這是一臺(tái)口徑3英寸（約76mm）的施密特望遠(yuǎn)鏡，終端儀器是遠(yuǎn)紫外相機(jī)/攝譜儀（100~160nm），被用來拍攝地球、星云、星團(tuán)和大麥哲倫星系。整個(gè)系統(tǒng)安放在一個(gè)簡易的三腳架上并置于登月艙的影子里以避免白天過熱。遠(yuǎn)紫外相機(jī)的視場為20度，可以拍攝到11等的天體。宇航員用它拍攝了178幅圖像并記錄到磁帶上帶回了地球。

長期以來，天文學(xué)界都在對月基天文觀測的可行性和重要性進(jìn)行研究探討；而隨著各國探月與登月計(jì)劃的重啟，這方面的研究熱度又開始迅速升溫，特別是建議在月球背面開展長波射電天文觀測。我國嫦娥三號(hào)上的月基望遠(yuǎn)鏡是一臺(tái)小尺寸但功能較完整的、可自動(dòng)觀測的近紫外天文望遠(yuǎn)鏡，一方面利用它做某些在地面上難以實(shí)現(xiàn)且有一定科學(xué)價(jià)值的觀測，另一方面獲取在月基環(huán)境條件下進(jìn)行天文觀測的寶貴經(jīng)驗(yàn)。

月基光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡實(shí)物圖片

Q4請簡單介紹一下我國月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的系統(tǒng)組成。

A

月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡安置于嫦娥三號(hào)著陸器上，主要由探頭及支架、反射鏡轉(zhuǎn)臺(tái)、電纜組以及附屬控制系統(tǒng)組成。產(chǎn)品總重量13.6kg，外形尺寸為615mm×350mm×350mm；望遠(yuǎn)鏡的物鏡口徑為150mm，視場大小1.36×1.36平方度；光學(xué)系統(tǒng)為RC系統(tǒng)（里奇-克列基昂系統(tǒng)），焦點(diǎn)為耐氏焦點(diǎn)；指向反射鏡裝置采用二維轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)；探測器采用1k×1k紫外增強(qiáng)型幀轉(zhuǎn)移CCD；濾光膜鍍在校正鏡上，近紫外透過，光學(xué)截止，工作波段245~340nm，非常接近哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（HST）的F300X濾光片。

嫦娥三號(hào)月球著陸器及月基光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡在月球上的位置

月基光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡發(fā)布的首張星圖

月基光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡對天鵝座XZ變星的觀測，該變星屬于天琴座RR型變星，坐標(biāo)（J2000.0）：RA 19h32m29.3s，DEC +56°23′17"，光變周期：0.4666

Q5月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的工作原理如何？

A

月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是通過二維轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡指向不同指定天區(qū)，并對天體進(jìn)行必要的步進(jìn)跟蹤。反射鏡反射來自天空（天體）的輻射，由望遠(yuǎn)鏡收集后在焦平面上成像。安裝在焦平面上的CCD探測器將光子轉(zhuǎn)化為電子，再由讀出電路將其放大并數(shù)字化后記錄下來。

月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡直接獲取的是天體通過光學(xué)系統(tǒng)在焦平面探測器上所成的圖像，從圖像上可以獲得天體在探測器上的位置和天體亮度。依據(jù)月球運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可以把探測器上記錄的天體位置轉(zhuǎn)換到天球坐標(biāo)上的位置。探測器記錄下的天體亮度需要經(jīng)過一系列的儀器效應(yīng)改正（如本底場、暗場、平場等），并將改正后的天體亮度與選定的比較星或標(biāo)準(zhǔn)星的亮度比較后可以得到天體亮度的真實(shí)變化。

Q6為什么采用150mm的較小口徑和近紫外波段觀測呢？

A

考慮到資源有限，我們提議的月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的口徑為150mm；而為了優(yōu)化科學(xué)產(chǎn)出，我們把它的工作波段定在近紫外。由于地球大氣的吸收和散射，地球大氣對于小于320nm的紫外光基本上是完全不透明的，而320~400nm這個(gè)勉強(qiáng)可見的大氣窗口（天文上定義為U波段），在地基天文觀測中的實(shí)際使用頻率也很低。我們提出的望遠(yuǎn)鏡工作波段200nm~360nm的觀測很難在地面開展。

Q7您帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)是如何確定月基望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)目標(biāo)的？

A

研制月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡主要是為了實(shí)現(xiàn)在近紫外波段對各種天文變源的亮度變化行為進(jìn)行長時(shí)間的連續(xù)監(jiān)測。對于很多重要的天文變源，導(dǎo)致其亮度變化的物理過程，其主要輻射區(qū)的溫度往往高達(dá)10000K以上。因此，在近紫外波段的觀測要比可見光波段有利，并且更能接近輻射的核心區(qū)及所對應(yīng)物理過程的本質(zhì)。月基觀測完全避開了地球大氣的吸收和散射，使得近紫外觀測成為可能。另外歸功于月基上緩慢的恒星周日運(yùn)動(dòng)，可以對所選定的天文變源進(jìn)行最長可達(dá)數(shù)天至約十天的不間斷監(jiān)測，從而能更徹底地揭示各種復(fù)雜的光變行為，進(jìn)而揭示造成光變的物理機(jī)制。這樣長時(shí)間的持續(xù)觀測，是通常低軌天文衛(wèi)星難以實(shí)現(xiàn)的，也發(fā)揮了月基觀測的優(yōu)勢。

此外，銀道面上存在大量的OB星協(xié)、大質(zhì)量恒星形成區(qū)、行星狀星云等強(qiáng)紫外發(fā)射天體，在近紫外波段做大視場的成像觀測將是研究恒星形成和恒星晚期演化的重要手段。這將填補(bǔ)GALEX衛(wèi)星因?yàn)榧夹g(shù)原因不能對低銀道帶進(jìn)行巡天所留下的空白。

綜上所述，月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)目標(biāo)主要集中在兩個(gè)方面：對一些重要天體的光變進(jìn)行長期連續(xù)監(jiān)測，觀測研究其變化特性和物理機(jī)制；對低銀道帶進(jìn)行巡天觀測，獲得巡天星圖和星表。

天鵝座XZ變星的光變情況

Q8請您具體說一說科學(xué)目標(biāo)包含哪些天文研究課題？

A

就天文變源而言，其種類繁多，而考慮到月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在口徑和測光精度方面的限制，要求觀測目標(biāo)的光變比較劇烈、時(shí)標(biāo)可從數(shù)分鐘到約一兩天且在近紫外波段較亮。經(jīng)過調(diào)研及國內(nèi)天文學(xué)家的建議，我們把月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的監(jiān)測對象歸為四個(gè)大類，分別是激變變星等含致密星的相互作用雙星、活動(dòng)星系核、類太陽色球活動(dòng)星、天琴座RR等短周期脈動(dòng)變星。選源的方法之一可以是把這些變源的已知星表跟GALEX衛(wèi)星的近紫外巡天星表進(jìn)行交叉，找出亮度和天區(qū)落在月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的可觀測范圍內(nèi)的源。

Q9從技術(shù)角度考慮，月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對我國天文發(fā)展有什么意義？

A

空間天文在我國處于剛剛開始的階段，空間天文設(shè)備研制和運(yùn)行的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)都很缺乏，到目前為止，除了正在運(yùn)行的月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，我國在2001年，在神舟二號(hào)搭載過“宇宙伽馬暴監(jiān)視器”。月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡口徑雖小，卻是“五臟俱全”，尤其是具有二維轉(zhuǎn)動(dòng)指向功能，以及器上觀測計(jì)劃解析、執(zhí)行、圖像處理等復(fù)雜的軟件功能，因此，月基望遠(yuǎn)鏡的論證、研制和運(yùn)行將為我國后續(xù)空間天文望遠(yuǎn)鏡的研制和運(yùn)行提供重要的經(jīng)驗(yàn)和積累。

月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在月面工作，望遠(yuǎn)鏡工作環(huán)境比較嚴(yán)酷，例如月球環(huán)境溫度的劇烈變化、無遮擋的太陽輻射等嚴(yán)酷條件，以及對系統(tǒng)重量、體積和功耗等方面的苛刻要求，都對望遠(yuǎn)鏡提出了許多更新更高的要求。因此，需要研究新的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并開展關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，以便能夠研制出體積小、重量輕、功耗低、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠的月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。月基光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡關(guān)鍵技術(shù)的研究，將推動(dòng)我國在航天光學(xué)和機(jī)械部件輕量化、CCD探測器技術(shù)、星載處理技術(shù)、熱控技術(shù)等領(lǐng)域的技術(shù)儲(chǔ)備和提高。

相互作用的雙星示意圖

Q10上面提到的天文研究課題都是利用近紫外波段進(jìn)行研究的，請您談一談國際紫外空間天文觀測現(xiàn)狀。

A

目前國內(nèi)外在紫外和近紫外波段的觀測天文學(xué)，其發(fā)展速度相對光學(xué)、紅外等其他波段而言還有待提高。早期的紫外天文觀測嘗試是通過搭載火箭、衛(wèi)星和載人飛船進(jìn)行的；現(xiàn)代紫外天文學(xué)的真正開端是1972年發(fā)射的歐洲TD-1衛(wèi)星，它巡天發(fā)現(xiàn)了5萬多個(gè)紫外源（150~280nm），然后是1974年發(fā)射的荷蘭天文衛(wèi)星ANS對5千多個(gè)源進(jìn)行定點(diǎn)觀測（150~350nm）。最成功的紫外天文衛(wèi)星是1978年發(fā)射的IUE，它工作了18年，用一臺(tái)口徑45cm的望遠(yuǎn)鏡拍攝了近1萬個(gè)源的大量光譜（110~320nm）。20世紀(jì)80~90年代還有約10個(gè)搭載的紫外天文設(shè)備，或多或少取得了一些成果。當(dāng)然，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（HST）也有紫外波段的觀測能力（120~300nm）。

21世紀(jì)已經(jīng)工作的紫外天文設(shè)備，除了XMM-Newton衛(wèi)星和Swift衛(wèi)星上的口徑30cm的光學(xué)/紫外望遠(yuǎn)鏡（160~600nm），最重要的是1997年發(fā)射的GALEX衛(wèi)星，它使用口徑50cm的望遠(yuǎn)鏡在135~180nm和180~280nm這兩個(gè)波段做全天巡天，深度達(dá)到了近21等；巡天已發(fā)現(xiàn)的源數(shù)目巨大，并且包含有大量的變源。準(zhǔn)備上天的或正在計(jì)劃中的紫外天文觀測設(shè)備不多，有印度衛(wèi)星ASTROSAT上的紫外望遠(yuǎn)鏡（120~300nm），印度－以色列小衛(wèi)星TAUVEX（140~320nm），以及俄、歐等國合作的國際紫外天文臺(tái)項(xiàng)目WSO。

XMM-Newton (X-ray Multi-Mirror Mission - Newton）衛(wèi)星是歐空局發(fā)射的X射線天文衛(wèi)星

Q11我國的月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，已經(jīng)在月球開展了正常觀測，你認(rèn)為我國這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡有哪些獨(dú)特之處或者說成功之處？

A

月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡包括三種工作模式：待機(jī)模式，處于加電但不獲取探測數(shù)據(jù)狀態(tài)；指向調(diào)整模式，處于指向調(diào)整狀態(tài)；探測模式，處于開機(jī)獲取探測數(shù)據(jù)狀態(tài)。在進(jìn)行天文觀測時(shí)，首先依據(jù)地面上傳的觀測計(jì)劃，生成觀測指令，調(diào)整反射鏡指向，待反射鏡指向目標(biāo)到位穩(wěn)定后，探測器開始曝光，如果目標(biāo)偏離視場，則結(jié)束曝光再次調(diào)整反射鏡指向，如此反復(fù)，直至地面上傳指令結(jié)束觀測任務(wù)或超出工作邊界條件，進(jìn)而等待下次指令。

月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡具有以下特點(diǎn)：人類首次嘗試依托地外天體平臺(tái)開展自主天文觀測；自動(dòng)化程度高，在月面任意正常的著陸姿態(tài)下，通過位置定標(biāo)，望遠(yuǎn)鏡能夠?qū)崿F(xiàn)精確指向和步進(jìn)跟蹤控制，國內(nèi)首次在具有空間環(huán)境適應(yīng)性的計(jì)算機(jī)單元上實(shí)現(xiàn)天文圖像中目標(biāo)的識(shí)別、匹配及提?。恢亓枯p，通過輕質(zhì)復(fù)合材料的選取以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)超輕量化；月面環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可在-20℃~40℃的溫度范圍內(nèi)不依賴調(diào)焦機(jī)構(gòu)滿足望遠(yuǎn)鏡工作指標(biāo)要求。

SOHO天文衛(wèi)星觀測到的太陽活動(dòng)，類太陽活動(dòng)恒星也是月基光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡的觀測目標(biāo)。

活動(dòng)星系核是月基光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡的觀測目標(biāo)

Q12到目前為止月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在月球上的時(shí)間3個(gè)多月了，它的工作狀態(tài)如何？你們團(tuán)隊(duì)是否已經(jīng)獲得了可靠的觀測數(shù)據(jù)？

A

到目前為止，望遠(yuǎn)鏡工作狀態(tài)正常。在數(shù)據(jù)下載能力許可的情況下，都可以進(jìn)行開機(jī)觀測。接受國內(nèi)天文界，尤其是變星研究人員，提出的觀測申請，按計(jì)劃開展變星光變監(jiān)測和巡天觀測。數(shù)據(jù)后續(xù)處理結(jié)果表明，測光精度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

Q13國外月基天文觀測的前景如何？

A 國外新近提議的月基天文觀測計(jì)劃多是較大規(guī)模的，屬于遠(yuǎn)期規(guī)劃的范疇。比較受關(guān)注的有：

1 在月球背面建立射電天線陣，工作在地球電離層截止頻率以下（0.1~10MHz），以探測宇宙極早期“黑暗年代”的氫21cm發(fā)射。我國天文界在這方面也提出了相應(yīng)的項(xiàng)目建議，獲得了國家相關(guān)部門的預(yù)研究經(jīng)費(fèi)支持。

2 利用月球表面的低重力，建造超大口徑（30~100m）的自轉(zhuǎn)液體望遠(yuǎn)鏡，再加上利用極區(qū)的恒低溫和恒定天區(qū)，進(jìn)行極深的近紅外觀測；

3 由于月球有一個(gè)地質(zhì)學(xué)超穩(wěn)定的固態(tài)表面，可建立光學(xué)和近紅外望遠(yuǎn)鏡的長基線干涉陣，做超高分辨率成像特別是太陽系外行星的觀測；

4 部署中小口徑、不帶跟蹤功能的望遠(yuǎn)鏡，利用月基上恒星周日運(yùn)動(dòng)的緩慢，在紫外波段做帶狀天區(qū)的巡天觀測。

（責(zé)任編輯 張長喜）