俄羅斯“光譜”系列天文臺發展歷程及未來規劃解析

范唯唯 楊帆 宋楠

（1中國科學院科技戰略咨詢研究院 2中國科學技術館）

1 前言

俄羅斯在理論和地基實測天體物理學方面的研究起步較早，隨著美蘇太空競賽的展開，蘇聯從20世紀70年代開始部署空間天文臺，起初是通過在禮炮號空間站等軌道站上搭載望遠鏡的方式開展天文觀測，隨后相繼發射了“天文”（Astron）紫外天文望遠鏡（1983－1989年）、“石榴”（Granat）空間望遠鏡（1989－1998年）[1]和“伽馬”（Gamma）空間望遠鏡（1990－1992年）[2]。進入新千年，俄羅斯發射了“羅蒙諾索夫”（Lomonosov）高校衛星（2016－2019年），并策劃了“光譜”系列天文臺任務。

“光譜”系列是近十年俄羅斯空間科學領域最重要的天基任務，目前已經發射的光譜－R（Spektr－R）和光譜－RG通過廣泛開展國際合作，取得了許多引人注目的科學成就。規劃中的光譜－UV和光譜－M能否在當前國際合作受阻和國內科研經費緊張的情況下再創佳績，推動俄羅斯天體物理學研究實現跨越式發展值得關注。

2 俄羅斯“光譜”系列任務的發展與規劃

“光譜”系列天文臺最早于20世紀80年代提出，是“天文”“石榴”“伽馬”空間望遠鏡的接替計劃，旨在研發出性能優于以“哈勃”（HST）為代表的美國望遠鏡。但由于蘇聯解體導致資金嚴重不足，研發進展近乎停滯[3]。直到1997年，“光譜”系列天文臺被重新提上日程，在俄羅斯航天國家集團（ROSCOSMOS）的支持下，俄羅斯科學院委托拉沃契金科研生產聯合體開發研制，全系列共包括4個天基任務：①在射電波段內開展觀測的光譜－R（2011－2019年）；②在軟硬X射線波段開展觀測的光譜－RG（2019年至今）；③正處于研發階段的在紫外波段開展觀測的光譜－UV；④在亞毫米和遠紅外波段運行的光譜－M。

整體而言，“光譜”系列天體物理天文臺探測波段各有側重，基本覆蓋從高能射線、紫外、光學、紅外、微波到射電等各個波段，可以滿足不同研究目標的需求。還可以與地基望遠鏡共同組成天地射電干涉陣，地基望遠鏡可對天基望遠鏡巡天發現的重要目標進行長期深入的跟蹤觀測研究，使科學效益達到最大化。

光譜－R：世界最大的綜合孔徑式空間射電望遠鏡

光譜－R是由俄羅斯領導、20多個國家參與的大規模國際合作項目，又名“射電天文”（RadioAstron），于2011年7月18日從拜科努爾發射場發射，運行在高橢圓軌道（HEO）上[4]。在軌運行了7.5年后，于2019年1月與地面失聯[5]，現已正式退役。

光譜－R與全球58臺地面射電望遠鏡（包括美國阿雷西博望遠鏡和綠岸射電望遠鏡、德國埃菲爾斯伯格射電望遠鏡、荷蘭韋斯特博克綜合孔徑射電望遠鏡、烏克蘭葉夫帕托里亞天文臺、日本臼田射電望遠鏡、澳大利亞特賓比拉望遠鏡、西班牙羅夫萊多望遠鏡、中國天馬望遠鏡、俄羅斯類星體－KVO射電天文觀測綜合系統等）共同組建成天地一體干涉系統，獲取不同天體目標的超高分辨率圖像、角位移及相關通量、亮度和散射特性等信息。光譜－R的主要科學目標包括：①射電波段的星系和類星體；②大質量黑洞附近區域的結構和動力學；③銀河系中的黑洞和中子星；④測量脈沖星和其他星系源的距離和速度；⑤星際等離子體的結構；⑥致密河外天體的演化；⑦確定基本宇宙學參數。

光譜－R由俄羅斯航天國家集團、俄羅斯科學院列別捷夫物理研究所和空間研究所牽頭組織，拉沃契金科研生產聯合體開發制造。從結構上看，光譜－R由導航平臺和射電望遠鏡組成，總質量3850kg。其中主鏡直徑3m，有27個天線波瓣，展開后拋物天線面直徑10m，是世界最大的綜合孔徑式空間射電望遠鏡，創下吉尼斯紀錄。

光譜－R針對250個星系核、類星體和脈沖星等宇宙天體開展了觀測和研究，取得了廣受國際認可的科學成果。例如：證實類星體核比以往地面干涉儀的理論預測和測量結果亮得多，許多類星體的溫度超過1013K，比以前的估值高10倍以上；突破性地了解到星系中心等離子體噴射的形成機制，發現射流底部非常寬且呈圓柱形，支持了噴射是由寬吸積盤扭曲形成的理論；發現了一種新型散射效應，極大地改善了星際介質理論和對其不均勻性結構的理解；以8×10-6角秒的角分辨率拍攝到NGC 4258星系盤中的水巨脈澤，達到儀器的理論極限，這也是迄今為止天文學角分辨率的最高紀錄。

光譜－R天線展開測試

光譜－RG：考驗國際合作的X射線天文臺

光譜－RG是俄德合作項目，也是俄羅斯首個在日地拉格朗日L2點運行的天文臺，于2019年7月13日從拜科努爾發射場發射，搭載了德國萊布尼茨天體物理學研究所開發的“攜帶成像望遠鏡陣列的擴展倫琴調查儀”（eROSITA）和俄羅斯科學院空間研究所開發的“天文倫琴望遠鏡-X射線805A光器”（ARTXC）2臺X射線望遠鏡[6-7]。但受俄烏沖突影響，eROSITA已于2022年2月26日進入休眠模式[8]。

光譜－RG計劃運行6年半，前4年時間將對整個天空進行掃描，在可觀測范圍內對銀河系最龐大的星系群和活動星系核進行搜尋并編目[9]。任務后期將開啟目標天體精準觀測模式，對最感興趣的對象進行選擇性觀察。巡天期間，光譜－RG將對約10萬個大質量星系團、300萬個超大質量黑洞、數十萬個擁有活躍日冕的恒星和吸積白矮星、數萬個恒星形成星系和屬性不明的其他天體進行探測，并詳細研究行星際和星系際熱等離子體的性質。這些數據對于了解宇宙中物質分布，暗能量在宇宙演化過程中的作用，以及超大質量黑洞的誕生和發展十分重要。光譜－RG的主要科學目標包括：①研究超大質量黑洞的輻射變化；②長期連續觀測弱X射線源；③研究伽馬射線暴及其X射線余輝；④觀測超新星爆發及其演化過程；⑤研究銀河系黑洞和中子星；⑥測量脈沖星和其他星系源的距離和速度；⑦在X射線和紫外波段研究近鄰星系的彌漫介質；⑧對延展天體的硬X射線輻射進行定位；⑨研究活動星系核的光譜形狀。

eROSITA望遠鏡由德國萊布尼茨天體物理研究所和高校共同開發，由馬克斯·普朗克地外物理學研究所負責制造[10]，旨在0.3～10keV范圍內巡天，探測300萬個超大質量黑洞，研究宇宙結構演化，研究銀河系X射線源的物理特性，例如白矮星、雙星系統中的中子星和黑洞、超新星遺跡以及原恒星。

ART－XC望遠鏡由俄羅斯科學院空間研究所和拉沃契金科研生產聯合體負責制造，旨在5～11keV范圍內繪制深度全天星圖，在5～30keV范圍內繪制黃道區域星圖，標記并定位全天硬X射線源，測量白矮星質量和特征，記錄X射線暫現源。隨著德國關閉eROSITA望遠鏡，俄羅斯ARTXC也隨之調整了任務目標，未來將繼續重點開展以下4個方向的觀測：①深入研究銀河系盤面，在更軟的X射線波段觀測到不易被發現的天體；②對第四次巡天任務中發現的X射線源開展更詳細的研究；③暫現源研究；④開展毫秒脈沖星觀測[11]。

2020年6月，eROSITA望遠鏡完成首次巡天后繪制出迄今為止質量最高的X射線宇宙星圖，包含超過100萬個軟X射線源，是X射線天文學60年發展歷程中發現的X射線源數量的2倍，其中大部分射線源是宇宙學距離尺度上的活躍星系核，標志著宇宙時間尺度上巨型黑洞的增長[12]，光譜－RG也因此榮獲2021年馬塞爾·格羅斯曼獎。光譜－RG取得的其他重要科學發現還包括：2020年6月，ART－XC望遠鏡對韋羅妮卡星座中的星系團開展觀測，在硬X射線波段繪制出該星系團中的熱氣體分布圖[13]；2020年12月，ART－XC完成第二次巡天，發現的X射線源數量與第一次相比幾乎翻了一倍，在銀河系及更遠的地方發現了未知天體，包括被冷氣體包圍且在軟X射線下不可見的超大質量黑洞，一些X射線源還顯示出很強的可變性；2021年7月，eROSITA發布首個數據集，涵蓋巡天前對29個不同區域的中子星、星系團等多種天體開展的100次獨立觀測，面向全球天文學家開放下載；2021年10月，利用eROSITA數據編制了第一份遙遠星系核心超大質量黑洞附近潮汐破壞事件源表。

光譜－RG結構

光譜－UV：大型紫外空間天文臺

光譜－UV又名“世界空間天文臺”，旨在以高角分辨率在紫外和光學波段開展基礎天體物理研究[14]。任務計劃于2028年從東方發射場發射，運行在35800km的地球同步軌道，與赤道平面傾角為35°～40°，設計壽命7年。

光譜－UV由俄羅斯科學院天文學研究所負責設計，拉沃契金科研生產聯合體負責制造，主體是直徑1.7m、焦距17m的T－170m望遠鏡，部分性能將超越哈勃望遠鏡。其主要科學目標包括：①研究太陽系行星大氣的物理化學成分；②研究熱恒星大氣物理學，冷恒星日冕活動，恒星吸積現象，恒星質量損失和爆發過程；③研究星際和星周物質（氣體和塵埃粒子）的物理和化學性質，星際介質的相變；④研究活躍星系核的性質，星系的化學演化，星系際介質的物質交換過程；⑤尋找宇宙中隱藏的重子物質。

按照最初設計，光譜－UV是由俄羅斯牽頭，西班牙、日本等國參與的國際合作項目。但考慮到當前國際形勢下，國外合作伙伴可能會退出項目，因此俄羅斯科學院天文學研究所制定了國產元器件替代計劃。雖然解決了所有的技術問題，但還需要時間尋找新的承包商，重新設計和開發設備和系統。目前，俄羅斯已經完成T－170m望遠鏡的熱環境模型和振動模型制造，并開展了各類地面測試[15]。

光譜－UV 結構

光譜－M：對標JWST的下一代大型紅外天文臺

光譜－M是“光譜”系列的第四個任務，在某些方面可以認為是光譜－R的繼任者，旨在研究宇宙早期過程和超大質量黑洞附近的時空幾何學，并尋找銀河系中的水和生物標志物，助力解決現代天體物理學和宇宙學領域最緊迫的問題[16]。任務計劃于2029－2030年從拜科努爾發射場發射，將在日地拉格朗日L2點暈軌道運行，設計壽命10年。

光譜－M總重6600kg，主鏡直徑3m，有24個天線波瓣，每個波瓣由3塊高模數碳纖維面板拼接而成，表面為鋁制射電反射涂層，展開后鏡面直徑10m。光譜－M的主要科學目標包括：①研究行星及其衛星大氣中的分子組成和物理條件；②研究行星際介質的塵埃成分，以及范艾倫帶和奧爾特云中的天體；③繪制和研究不同類型恒星以及銀河系中子星和可能存在的夸克星的變化；④探測和研究恒星形成區，尋找宇宙中的生命跡象；⑤研究亞毫米脈澤；⑥暗物質在銀河系和本星系群中的分布；⑦星系和類星體中氣體－塵埃成分的結構、動力學與演化；⑧執行搜尋地外文明計劃（SETI）；⑨研究遙遠星系中的超新星并確定宇宙學參數；⑩研究星系的化學演化；?研究宇宙演化的早期階段，從再復合時代到再電離時代，第一批恒星和星系的出現，以及原始黑洞和“蟲洞”；?研究超大質量黑洞的事件視界區域中活動星系核的物理過程。特別是在宇宙生物學研究方面，光譜－M將主要對土星和木星的冰衛星進行光譜觀測，探究其表面和大氣組成，評估土衛二和土衛六的宇宙生物學潛力，分析這些衛星的化學成分，結果有助于研究衛星海洋與表面的相互作用。

俄羅斯科學院列別捷夫物理研究所天文研究中心主任、任務專家謝爾蓋·利哈切夫（Sergei Likhachev）認為，光譜－M部分性能水平要高于美國國家航空航天局（NASA）開發的“詹姆斯·韋布空間望遠鏡”（JWST）。JWST僅能在可見光和中紅外波段工作，而光譜－M探測波長范圍橫跨0.02～17mm，可以研究被星際塵埃遮掩的天體，便于準確理解恒星的誕生及演化過程，還能對局部天空進行快速測量。

值得一提的是，光譜－M具有單天線模式和干涉模式兩種工作模式。任務運行的前3年將處于單天線模式，利用液氦使高靈敏度元器件保持在近乎絕對零度的低溫狀態，以開展高靈敏度觀測。在干涉儀模式下，光譜－M將與地面射電望遠鏡一起，形成一個巨大、高靈敏的觀測系統，可實現3.7×10-8角秒的超高角分辨率。列別捷夫物理研究所科學秘書塔蒂亞娜·拉爾琴科娃（Tatyana Larchenkova）表示，光譜－M可以與正在建造中的烏茲別克斯坦Suffa射電天文臺合作，團隊也希望與事件視界望遠鏡（EHT）團隊合作，將其當前接收的圖像質量提高6～10倍。目前，衛星制造企業正在建造包括主鏡展開系統在內的天文臺各部件模型。

光譜－M 結構

俄羅斯“光譜”系列任務技術參數對比

3 結語

盡管“光譜”系列任務規模宏大、性能先進，有望助力俄羅斯天體物理學研究打開新的突破口，但與其他國家一樣，天基任務能否順利實施并非僅受限于科學想法和技術能力，預算水平也是一個重要變量[17]。縱觀過去10~20年，俄羅斯大約每5年實施一次科學任務發射，導致許多科學項目不得不排起長隊。光譜－R和光譜－RG制造周期近30年，在這種情況下很難在開啟下一個天體物理學項目之前維持完整的技術團隊。雖然俄羅斯政府于2021年11月從國家儲備資金中為航天工業發展追加了65億盧布撥款[18-19]，但經費主要用于正在實施的以及早期擱置的項目，“光譜”系列任務面臨的窘境依然難以突破。特別是在當前俄羅斯面臨西方技術經濟制裁的背景下，光譜－UV和光譜－M項目能否按計劃與國際伙伴合作完成，或順利解決元器件進口替代和后續經費保障問題，是影響俄羅斯天體物理學天基任務未來發展的關鍵。