“毫米波射電空間物理天文臺”攜手向深空

文/平勁松 魯暘筱懿

俄羅斯Millimetron空間天文臺，全稱為“毫米波射電空間物理天文臺”（包括1個Millimetron衛星和地基觀測系統），計劃于2029年發射升空，它的主要任務分為兩期，分別將運行于距地球150萬公里的日地拉格朗日L2點區域和地月空間大橢圓軌道上。

該天文臺將裝備世界上最大（直徑10米）的寬頻譜口徑空間望遠鏡，旨在對毫米、亞毫米和紅外波段（波長范圍從80微米到20毫米）開展觀測，有望在現代天體物理學和宇宙學前沿領域的一系列重要科學問題上獲得革命性突破，包括詳細研究黑洞陰影、蟲洞搜尋、星際水分子搜尋、宇宙微波背景輻射光譜畸變、恒星形成及生命起源等。

Millimetron空間天文臺有兩種運行模式：單天線望遠鏡模式和地—空甚長基線干涉測量模式（以下簡稱VLBI），簡單來說，VLBI就是把幾個相距很遠的小望遠鏡聯合起來，達到一架大望遠鏡的觀測效果。在單天線模式下，望遠鏡具有極高的靈敏度，可對亞毫米和紅外波段各種宇宙弱源信號開展觀測。在空間VLBI模式下，能以10-8角秒的最高角分辨率研究宇宙中最致密天體——黑洞。正是由于其前瞻科學目標和技術占位，Millimetron空間天文臺被認為是俄羅斯下一代空間VLBI項目。

Millimetron空間天文臺已獲俄羅斯聯邦政府批準正式立項，列入2016—2025年度俄聯邦空間項目（Federal Space Program，FSP）。該項目由俄羅斯科學院列別捷夫物理研究所（LPI）發起并負責，總承建單位是俄羅斯航天集團（Roscosmos）。在中俄雙方科學院和航天局的合作框架下，中國科學院國家天文臺、上海天文臺、紫金山天文臺的科研技術人員多方位參與了該項目的合作。中方提議主張的低頻射電天文技術與項目合作，也納入了Millimetron空間天文臺項目的計劃。中俄主要業務分工是俄方俄羅斯科學院列別捷夫物理研究所空間天文中心牽頭研制國際上首個空間毫米波亞毫米波射電天文臺，負責科學探索國際聯合團隊的組建、實施。中國科學院國家天文臺承擔空間低頻射電天文和星地協同觀測、衛星在月球空間的月球激光測距（LLR）測軌、衛星LRR測軌、星地時頻傳遞校準、廣義相對論實驗驗證。上海天文臺負責建設中俄合作毫米波空間天文VLBI干涉測量數據分析聯合中心，并承擔這部分科學數據的管理、分發與研究應用。紫金山天文臺承擔毫米波和亞毫米波個別空間載荷的技術研發和研制。

開展聯合觀測與月球動力研究

近十年以來在中科院“俄烏白”合作項目和科技部國際合作項目共同支持下，國家天文臺與俄羅斯空間研究所、應用天文研究所等，聯合開展了地月激光與微波測距與動力學應用、月球歷表構建合作、月球自轉與內部構造等研究，把激光和微波技術拓展應用于地月空間科學探測與活動。

雙方聯合開展地月之間的微波探測技術與實驗合作研究，共同研發國際領先的地月高精度微波測距技術，借助嫦娥三號月球著陸器和地面微波系統聯合開展月球探測，共同搭建新技術應用驗證平臺，用于月球空間導航技術發展和動力學聯合探測，取得了重大進展。該項地月之間的微波探測新技術的成功實施，開啟了月球和行星無線電相位測距空間測量技術與應用的新篇章；首次在月球自轉動力學領域獲得擁有自主知識產權的新類型的空間測量數據。雙方的合作促進了相關技術水平的提升，其中月球深空探測開環無線電測量技術在國際上處于領先位置。

月球歷表是關于月球運行軌道、空間轉動實測與精密預報信息的模型和數據庫總稱。中俄雙方共同推進月球歷表的構建和應用技術。在中方的支持推動下，俄方團隊的月球歷表構建方式從單一的月球激光測距（LLR），拓展到了LLR與地月微波測距技術相組合。在俄方的幫助下，中方團隊突破了月球自轉歷表的構建和自主預報技術，可以初步穩定預報約100年的月球軌道和轉動歷表?；诙砹_斯團隊的高精度月球和地球歷表，中方團隊提出了新的地月空間引力波探測和引力紅移檢驗的策略方法，提出了新的地球定向參數的獨立測量和地球表面引力紅移高精度檢驗修正方法?；诙砹_斯團隊的高精度的月球和地球歷表，中方團隊拓展了月球表面光照環境演化分析算法，為人類未來的月面著陸探測選址提供月面光照和對地通信可視條件預報資料。

在上述合作基礎上，借助中俄各自的技術優勢，雙方積極推進地月之間激光測距、微波測距、VLBI、全球衛星導航系統等綜合測量在國際月球科考站科學探索中的應用，共同提出在中俄月球科考站合作中聯合開展月球動力學、天球參考框架連接等前瞻引領科學探索。

獲得月球歷表的LLR、微波測量等技術和歷表本身是支撐Millimetron空間天文臺任務分析、實施、數據獲取與分析研究的關鍵環節。月球數值歷表為Millimetron衛星任務和科學數據分析提供了精密的空間參考框架，地月測距技術同時也在地月空間為Millimetron衛星的精密軌道測量和星—地時頻傳遞與同步需求提供不可或缺的業務支撐。

共同參與Millimetron項目

國家天文臺下屬的VLBI臺站多次參與了列別捷夫物理研究所主導的俄羅斯空間VLBI項目射電天文衛星（Radio Astron Satellite)的國際聯合觀測，為該項目的在軌運行提供了重要支持。該衛星的地面觀測由俄羅斯科學院應用天文研究所和列別捷夫物理研究所、空間研究所等主持。國家天文臺促成并主持了地月空間高精度歷表、參考架、VLBI、定軌導航、時間頻率傳遞等領域的合作研究，包括為Millimetron衛星中俄地月空間的VLBI射電測量合作提供軌道測量、引力理論驗證等支持。同時還在毫米波射電測量方面與俄羅斯開展合作研究，包括參與空間毫米波單天線射電天文觀測科學研究，提供地面毫米波臺站參與Millimetron衛星空間觀測的協同觀測、VLBI觀測。

國家天文臺近年來與列別捷夫物理研究所就Millimetron項目和空間低頻VLBI技術多次互訪并進行深度交流。2020年雙方簽署了合作備忘錄，將合作發展空間低頻射電天文的空間技術、開展低頻射電VLBI數據分析處理和科學研究，探索宇宙早期演化奧秘和太陽系外恒星系統射電輻射特性。國家天文臺還將參與Millimetron項目的衛星精密軌道測量業務，提供衛星的時頻比對校準、高精度引力紅移驗證的星—地鏈路測量支撐，參與空間衛星低頻射電的單站觀測、地面星地協同觀測和科學數據地面接收工作。

優化Millimetron設計

在空間射電天文探測領域，中國科學院國家天文臺2006年開始推進國際合作空間低頻射電天文探測。

電磁波多頻段和多種物理場手段探測宇宙奧秘是天文學領域發展前沿。在無線電電磁波譜上，相比于其他頻帶，低于30MHz的低頻射電天文探測和高于300GHz的高頻射電天文探測還幾乎是空白頻段，是獲得全新的天體輻射和爆發信息的關鍵窗口。低頻射電天文觀測一方面可以利用月球背面“干凈”電磁環境開展，另一方面可以借助在距離上遠離地球使得來自地球電磁波輻射大幅度衰減、空間望遠鏡在方向指向上背離地球方向時遮擋來自地球的干擾實施低頻觀測，兩種途徑都將填補低頻射電觀測的空白，對來自宇宙空間背景、銀河系、太陽、行星的信號進行測量，可為探究這些問題作出貢獻。

毫米波空間望遠鏡運行軌道示意圖

嫦娥四號月球著陸探測為科學家提供了在月球背面和月球空間開展低頻射電天文研究的絕佳起步機會，自2016年至今，國家天文臺獲得了嫦娥四號三個空間低頻射電天文項目的支持，至今仍在實施觀測任務；2018年國家天文臺還獲得了中國科學院月球空間低頻射電天文陣列先導專項背景型號項目支持，設計并研究了一個繞月飛行的低頻射電望遠鏡陣列，完成了任務的關鍵技術研究，研制了部分載荷的原理樣機。

中方關于在Millimetron衛星上設置低頻射電天文載荷的提議得到了俄方的支持，并將據此開展星-地低頻VLBI干涉測量。在輸出空間低頻射電空間天文技術經驗的同時，將學習俄方在先進空間天文項目科學目標的規劃實施、關鍵技術及組織管理經驗，為我國未來的空間天文項目提供技術、科學、人員儲備。

中俄空間科學聯合探索任務Millimetron項目，將拓展空間VLBI國際合作，為探索太空絲綢之路向太陽系和深空的延伸提供可行的參考模式。