俄罗斯“光谱”系列天文台发展历程及未来规划解析

范唯唯 杨帆 宋楠

（1中国科学院科技战略咨询研究院 2中国科学技术馆）

1 前言

俄罗斯在理论和地基实测天体物理学方面的研究起步较早，随着美苏太空竞赛的展开，苏联从20世纪70年代开始部署空间天文台，起初是通过在礼炮号空间站等轨道站上搭载望远镜的方式开展天文观测，随后相继发射了“天文”（Astron）紫外天文望远镜（1983－1989年）、“石榴”（Granat）空间望远镜（1989－1998年）[1]和“伽马”（Gamma）空间望远镜（1990－1992年）[2]。进入新千年，俄罗斯发射了“罗蒙诺索夫”（Lomonosov）高校卫星（2016－2019年），并策划了“光谱”系列天文台任务。

“光谱”系列是近十年俄罗斯空间科学领域最重要的天基任务，目前已经发射的光谱－R（Spektr－R）和光谱－RG通过广泛开展国际合作，取得了许多引人注目的科学成就。规划中的光谱－UV和光谱－M能否在当前国际合作受阻和国内科研经费紧张的情况下再创佳绩，推动俄罗斯天体物理学研究实现跨越式发展值得关注。

2 俄罗斯“光谱”系列任务的发展与规划

“光谱”系列天文台最早于20世纪80年代提出，是“天文”“石榴”“伽马”空间望远镜的接替计划，旨在研发出性能优于以“哈勃”（HST）为代表的美国望远镜。但由于苏联解体导致资金严重不足，研发进展近乎停滞[3]。直到1997年，“光谱”系列天文台被重新提上日程，在俄罗斯航天国家集团（ROSCOSMOS）的支持下，俄罗斯科学院委托拉沃契金科研生产联合体开发研制，全系列共包括4个天基任务：①在射电波段内开展观测的光谱－R（2011－2019年）；②在软硬X射线波段开展观测的光谱－RG（2019年至今）；③正处于研发阶段的在紫外波段开展观测的光谱－UV；④在亚毫米和远红外波段运行的光谱－M。

整体而言，“光谱”系列天体物理天文台探测波段各有侧重，基本覆盖从高能射线、紫外、光学、红外、微波到射电等各个波段，可以满足不同研究目标的需求。还可以与地基望远镜共同组成天地射电干涉阵，地基望远镜可对天基望远镜巡天发现的重要目标进行长期深入的跟踪观测研究，使科学效益达到最大化。

光谱－R：世界最大的综合孔径式空间射电望远镜

光谱－R是由俄罗斯领导、20多个国家参与的大规模国际合作项目，又名“射电天文”（RadioAstron），于2011年7月18日从拜科努尔发射场发射，运行在高椭圆轨道（HEO）上[4]。在轨运行了7.5年后，于2019年1月与地面失联[5]，现已正式退役。

光谱－R与全球58台地面射电望远镜（包括美国阿雷西博望远镜和绿岸射电望远镜、德国埃菲尔斯伯格射电望远镜、荷兰韦斯特博克综合孔径射电望远镜、乌克兰叶夫帕托里亚天文台、日本臼田射电望远镜、澳大利亚特宾比拉望远镜、西班牙罗夫莱多望远镜、中国天马望远镜、俄罗斯类星体－KVO射电天文观测综合系统等）共同组建成天地一体干涉系统，获取不同天体目标的超高分辨率图像、角位移及相关通量、亮度和散射特性等信息。光谱－R的主要科学目标包括：①射电波段的星系和类星体；②大质量黑洞附近区域的结构和动力学；③银河系中的黑洞和中子星；④测量脉冲星和其他星系源的距离和速度；⑤星际等离子体的结构；⑥致密河外天体的演化；⑦确定基本宇宙学参数。

光谱－R由俄罗斯航天国家集团、俄罗斯科学院列别捷夫物理研究所和空间研究所牵头组织，拉沃契金科研生产联合体开发制造。从结构上看，光谱－R由导航平台和射电望远镜组成，总质量3850kg。其中主镜直径3m，有27个天线波瓣，展开后抛物天线面直径10m，是世界最大的综合孔径式空间射电望远镜，创下吉尼斯纪录。

光谱－R针对250个星系核、类星体和脉冲星等宇宙天体开展了观测和研究，取得了广受国际认可的科学成果。例如：证实类星体核比以往地面干涉仪的理论预测和测量结果亮得多，许多类星体的温度超过1013K，比以前的估值高10倍以上；突破性地了解到星系中心等离子体喷射的形成机制，发现射流底部非常宽且呈圆柱形，支持了喷射是由宽吸积盘扭曲形成的理论；发现了一种新型散射效应，极大地改善了星际介质理论和对其不均匀性结构的理解；以8×10-6角秒的角分辨率拍摄到NGC 4258星系盘中的水巨脉泽，达到仪器的理论极限，这也是迄今为止天文学角分辨率的最高纪录。

光谱－R天线展开测试

光谱－RG：考验国际合作的X射线天文台

光谱－RG是俄德合作项目，也是俄罗斯首个在日地拉格朗日L2点运行的天文台，于2019年7月13日从拜科努尔发射场发射，搭载了德国莱布尼茨天体物理学研究所开发的“携带成像望远镜阵列的扩展伦琴调查仪”（eROSITA）和俄罗斯科学院空间研究所开发的“天文伦琴望远镜-X射线805A光器”（ARTXC）2台X射线望远镜[6-7]。但受俄乌冲突影响，eROSITA已于2022年2月26日进入休眠模式[8]。

光谱－RG计划运行6年半，前4年时间将对整个天空进行扫描，在可观测范围内对银河系最庞大的星系群和活动星系核进行搜寻并编目[9]。任务后期将开启目标天体精准观测模式，对最感兴趣的对象进行选择性观察。巡天期间，光谱－RG将对约10万个大质量星系团、300万个超大质量黑洞、数十万个拥有活跃日冕的恒星和吸积白矮星、数万个恒星形成星系和属性不明的其他天体进行探测，并详细研究行星际和星系际热等离子体的性质。这些数据对于了解宇宙中物质分布，暗能量在宇宙演化过程中的作用，以及超大质量黑洞的诞生和发展十分重要。光谱－RG的主要科学目标包括：①研究超大质量黑洞的辐射变化；②长期连续观测弱X射线源；③研究伽马射线暴及其X射线余辉；④观测超新星爆发及其演化过程；⑤研究银河系黑洞和中子星；⑥测量脉冲星和其他星系源的距离和速度；⑦在X射线和紫外波段研究近邻星系的弥漫介质；⑧对延展天体的硬X射线辐射进行定位；⑨研究活动星系核的光谱形状。

eROSITA望远镜由德国莱布尼茨天体物理研究所和高校共同开发，由马克斯·普朗克地外物理学研究所负责制造[10]，旨在0.3～10keV范围内巡天，探测300万个超大质量黑洞，研究宇宙结构演化，研究银河系X射线源的物理特性，例如白矮星、双星系统中的中子星和黑洞、超新星遗迹以及原恒星。

ART－XC望远镜由俄罗斯科学院空间研究所和拉沃契金科研生产联合体负责制造，旨在5～11keV范围内绘制深度全天星图，在5～30keV范围内绘制黄道区域星图，标记并定位全天硬X射线源，测量白矮星质量和特征，记录X射线暂现源。随着德国关闭eROSITA望远镜，俄罗斯ARTXC也随之调整了任务目标，未来将继续重点开展以下4个方向的观测：①深入研究银河系盘面，在更软的X射线波段观测到不易被发现的天体；②对第四次巡天任务中发现的X射线源开展更详细的研究；③暂现源研究；④开展毫秒脉冲星观测[11]。

2020年6月，eROSITA望远镜完成首次巡天后绘制出迄今为止质量最高的X射线宇宙星图，包含超过100万个软X射线源，是X射线天文学60年发展历程中发现的X射线源数量的2倍，其中大部分射线源是宇宙学距离尺度上的活跃星系核，标志着宇宙时间尺度上巨型黑洞的增长[12]，光谱－RG也因此荣获2021年马塞尔·格罗斯曼奖。光谱－RG取得的其他重要科学发现还包括：2020年6月，ART－XC望远镜对韦罗妮卡星座中的星系团开展观测，在硬X射线波段绘制出该星系团中的热气体分布图[13]；2020年12月，ART－XC完成第二次巡天，发现的X射线源数量与第一次相比几乎翻了一倍，在银河系及更远的地方发现了未知天体，包括被冷气体包围且在软X射线下不可见的超大质量黑洞，一些X射线源还显示出很强的可变性；2021年7月，eROSITA发布首个数据集，涵盖巡天前对29个不同区域的中子星、星系团等多种天体开展的100次独立观测，面向全球天文学家开放下载；2021年10月，利用eROSITA数据编制了第一份遥远星系核心超大质量黑洞附近潮汐破坏事件源表。

光谱－RG结构

光谱－UV：大型紫外空间天文台

光谱－UV又名“世界空间天文台”，旨在以高角分辨率在紫外和光学波段开展基础天体物理研究[14]。任务计划于2028年从东方发射场发射，运行在35800km的地球同步轨道，与赤道平面倾角为35°～40°，设计寿命7年。

光谱－UV由俄罗斯科学院天文学研究所负责设计，拉沃契金科研生产联合体负责制造，主体是直径1.7m、焦距17m的T－170m望远镜，部分性能将超越哈勃望远镜。其主要科学目标包括：①研究太阳系行星大气的物理化学成分；②研究热恒星大气物理学，冷恒星日冕活动，恒星吸积现象，恒星质量损失和爆发过程；③研究星际和星周物质（气体和尘埃粒子）的物理和化学性质，星际介质的相变；④研究活跃星系核的性质，星系的化学演化，星系际介质的物质交换过程；⑤寻找宇宙中隐藏的重子物质。

按照最初设计，光谱－UV是由俄罗斯牵头，西班牙、日本等国参与的国际合作项目。但考虑到当前国际形势下，国外合作伙伴可能会退出项目，因此俄罗斯科学院天文学研究所制定了国产元器件替代计划。虽然解决了所有的技术问题，但还需要时间寻找新的承包商，重新设计和开发设备和系统。目前，俄罗斯已经完成T－170m望远镜的热环境模型和振动模型制造，并开展了各类地面测试[15]。

光谱－UV 结构

光谱－M：对标JWST的下一代大型红外天文台

光谱－M是“光谱”系列的第四个任务，在某些方面可以认为是光谱－R的继任者，旨在研究宇宙早期过程和超大质量黑洞附近的时空几何学，并寻找银河系中的水和生物标志物，助力解决现代天体物理学和宇宙学领域最紧迫的问题[16]。任务计划于2029－2030年从拜科努尔发射场发射，将在日地拉格朗日L2点晕轨道运行，设计寿命10年。

光谱－M总重6600kg，主镜直径3m，有24个天线波瓣，每个波瓣由3块高模数碳纤维面板拼接而成，表面为铝制射电反射涂层，展开后镜面直径10m。光谱－M的主要科学目标包括：①研究行星及其卫星大气中的分子组成和物理条件；②研究行星际介质的尘埃成分，以及范艾伦带和奥尔特云中的天体；③绘制和研究不同类型恒星以及银河系中子星和可能存在的夸克星的变化；④探测和研究恒星形成区，寻找宇宙中的生命迹象；⑤研究亚毫米脉泽；⑥暗物质在银河系和本星系群中的分布；⑦星系和类星体中气体－尘埃成分的结构、动力学与演化；⑧执行搜寻地外文明计划（SETI）；⑨研究遥远星系中的超新星并确定宇宙学参数；⑩研究星系的化学演化；⑪研究宇宙演化的早期阶段，从再复合时代到再电离时代，第一批恒星和星系的出现，以及原始黑洞和“虫洞”；⑫研究超大质量黑洞的事件视界区域中活动星系核的物理过程。特别是在宇宙生物学研究方面，光谱－M将主要对土星和木星的冰卫星进行光谱观测，探究其表面和大气组成，评估土卫二和土卫六的宇宙生物学潜力，分析这些卫星的化学成分，结果有助于研究卫星海洋与表面的相互作用。

俄罗斯科学院列别捷夫物理研究所天文研究中心主任、任务专家谢尔盖·利哈切夫（Sergei Likhachev）认为，光谱－M部分性能水平要高于美国国家航空航天局（NASA）开发的“詹姆斯·韦布空间望远镜”（JWST）。JWST仅能在可见光和中红外波段工作，而光谱－M探测波长范围横跨0.02～17mm，可以研究被星际尘埃遮掩的天体，便于准确理解恒星的诞生及演化过程，还能对局部天空进行快速测量。

值得一提的是，光谱－M具有单天线模式和干涉模式两种工作模式。任务运行的前3年将处于单天线模式，利用液氦使高灵敏度元器件保持在近乎绝对零度的低温状态，以开展高灵敏度观测。在干涉仪模式下，光谱－M将与地面射电望远镜一起，形成一个巨大、高灵敏的观测系统，可实现3.7×10-8角秒的超高角分辨率。列别捷夫物理研究所科学秘书塔蒂亚娜·拉尔琴科娃（Tatyana Larchenkova）表示，光谱－M可以与正在建造中的乌兹别克斯坦Suffa射电天文台合作，团队也希望与事件视界望远镜（EHT）团队合作，将其当前接收的图像质量提高6～10倍。目前，卫星制造企业正在建造包括主镜展开系统在内的天文台各部件模型。

光谱－M 结构

俄罗斯“光谱”系列任务技术参数对比

3 结语

尽管“光谱”系列任务规模宏大、性能先进，有望助力俄罗斯天体物理学研究打开新的突破口，但与其他国家一样，天基任务能否顺利实施并非仅受限于科学想法和技术能力，预算水平也是一个重要变量[17]。纵观过去10~20年，俄罗斯大约每5年实施一次科学任务发射，导致许多科学项目不得不排起长队。光谱－R和光谱－RG制造周期近30年，在这种情况下很难在开启下一个天体物理学项目之前维持完整的技术团队。虽然俄罗斯政府于2021年11月从国家储备资金中为航天工业发展追加了65亿卢布拨款[18-19]，但经费主要用于正在实施的以及早期搁置的项目，“光谱”系列任务面临的窘境依然难以突破。特别是在当前俄罗斯面临西方技术经济制裁的背景下，光谱－UV和光谱－M项目能否按计划与国际伙伴合作完成，或顺利解决元器件进口替代和后续经费保障问题，是影响俄罗斯天体物理学天基任务未来发展的关键。