未来，中国的观天者能否拥有远超韦伯望远镜的「太空巨眼」？

中国观天者能否拥有远超韦伯望远镜的「太空巨眼」？

在浩瀚宇宙的探索征途中，望远镜扮演着人类探寻未知的眼睛。詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）的问世，无疑将人类观测宇宙的能力推向了一个新的高度。那么，在不远的将来，中国的观天者们能否超越韦伯，拥有更加“巨巨巨”的“太空巨眼”呢？这绝非天方夜谭，而是正在中国科学家手中逐步实现的蓝图。

要理解这一点，我们首先需要剖析韦伯望远镜的“强大”之处。它的核心优势在于其巨大的主镜直径——6.5米，以及它能观测的红外波段。红外光线能够穿透宇宙尘埃，揭示宇宙早期形成的恒星和星系，以及行星大气的组成。而更高的分辨率和灵敏度，则让它能够捕捉到极其微弱的光线，看到更遥远、更古老的宇宙景象。

中国迈向“超级巨眼”的基石：坚实的技术积累与战略规划

中国在空间天文领域并非新手，而是凭借着数十年的不懈努力，积累了深厚的技术底蕴。从“东方红”卫星的成功发射，到“悟空”号暗物质粒子探测卫星的精密运行，再到“中国天眼”（FAST）——世界上最大的单口径射电望远镜，中国在天文观测硬件的制造、精密仪器的研发、以及复杂的航天工程管理方面，都已经展现出世界一流的水平。

更重要的是，中国在国家层面上对空间科学给予了前所未有的重视。例如，“中国空间站”的建设，不仅为中国航天员提供了工作和生活的平台，更重要的是，它集成了多项先进的科学实验载荷，其中包括专门用于空间天文观测的望远镜，例如“巡天空间望远镜”（CSST）。

“巡天空间望远镜”：中国下一代“太空巨眼”的雏形

“巡天空间望远镜”（CSST），也被形象地称为“中国版韦伯”，是目前中国空间天文领域最为重磅的计划之一。它拥有一个2米的反射主镜，虽然直径上不及韦伯，但其设计理念和目标却十分宏大。

更宽广的视场： CSST最突出的优势之一在于其极宽的视场，可以一次性观测到比韦伯大得多的天空区域。这使得它在进行大范围巡天观测时效率极高，能够更快速地绘制出宇宙的“全景图”，发现更多的天文现象。
多波段的集成观测： CSST的设计不仅仅局限于单一的观测波段，而是计划集成多种观测仪器，能够同时进行可见光、紫外、甚至部分红外波段的观测。这意味着它能够提供更加全面和多维度的宇宙信息，甚至在某些方面能够与韦伯形成互补。
与地面观测的协同： CSST的科学目标之一是与“中国天眼”等地面大型天文设施形成协同观测网络。这种“天地联动”的观测模式，将能够突破单一望远镜的局限，通过不同观测手段的优势互补，带来前所未有的科学发现。
中国空间站的优势： 作为中国空间站的一部分，CSST能够受益于空间站提供的稳定平台、能源供应以及维护升级的可能性。与独立在轨的韦伯望远镜相比，这种一体化的设计可能在长期运营和技术迭代上带来独特的优势。

超越韦伯的可能性：目标与挑战并存

说“超越”韦伯，并非简单地在主镜直径上比拼。真正的超越在于观测能力的提升，尤其是在以下几个方面：

更高的分辨率和灵敏度： 虽然CSST的主镜尺寸小于韦伯，但通过先进的光学设计和制造工艺，以及可能更先进的探测器技术，中国科学家正努力在某些特定波段或观测模式下达到甚至超越韦伯的水平。
更强的巡天能力： 如前所述，CSST的超宽视场赋予了它强大的巡天能力。这意味着它可以在更短的时间内，绘制出覆盖更广阔天空的精细图像，发现数量惊人的天体，从而极大地拓展我们对宇宙的认识。
更长远的规划与迭代： 中国空间站的模式，为未来望远镜的升级和维护提供了便利。这可能意味着中国未来的空间望远镜，能够像“补丁”一样不断更新换代，保持技术的先进性，从而实现对观测能力的持续超越。
特定领域的突破： 中国科学家在射电天文、高能天体物理等领域已有深厚积累。未来，中国可能会推出专注于这些领域的“超级巨眼”，在特定科学问题上取得比韦伯更为突出的成就。例如，更大口径的射电干涉阵列，或者专门用于探测黑洞、中子星等极端天体的空间望远镜。

未来的展望：从“巨眼”到“超级巨眼”

“巡天空间望远镜”只是一个开端。中国的科学家们已经提出了更多更具野心的未来计划。例如，一些设想中的下一代大型空间光学望远镜，其主镜直径将远远超过韦伯，甚至达到十几米甚至几十米。当然，要实现这样的“超级巨眼”，需要克服巨大的技术挑战，包括：

超大口径光学部件的制造与展开： 如何在地面制造出如此巨大的、精度要求极高的镜片，并在太空中精确展开，是前所未有的难题。
精密指向与稳定控制： 如此庞大的结构，如何在太空中实现毫秒级的指向精度和稳定的观测环境，是对工程技术的极致考验。
复杂载荷的集成与管理： 集成多种先进科学仪器，并确保它们在极端空间环境下的协同工作，需要极其复杂的系统工程能力。
长期的运营与数据处理： 如此庞大的观测设备，其运行维护以及海量数据的处理和分析，需要构建完善的地面支持体系和强大的计算能力。

然而，从中国科学家们过往的成就和对未来科学探索的决心来看，这些挑战并非不可逾越。中国正在逐步建立起一套完整的空间天文观测体系，从低轨道的巡天望远镜，到地球同步轨道的专业天文卫星，再到未来可能出现的更大口径的深空天文台，一个立体、多波段、高精度的中国“太空巨眼”网络正在逐步成型。

总而言之，中国观天者们不仅有潜力拥有远超韦伯望远镜的“太空巨眼”，而且正在为此不懈努力。凭借着坚实的技术积累、清晰的国家战略以及科学家们不畏艰难的探索精神，我们有理由相信，在未来的宇宙探索之路上，中国将扮演越来越重要的角色，为人类揭示宇宙的终极奥秘贡献更加震撼的“中国智慧”和“中国力量”。

网友意见

李菂老师是我的博士导师，这次很荣幸能和李老板一起上这档很特别的「科学综艺」 @未来中国 。

按照节目惯例，科学家需要在节目最后问一个问题。李老师问的是：

「未来，当祖国睥睨环球，中国的观天者能否拥有远超韦伯望远镜的太空巨眼？」

我查了很多资料，但是发现这个问题显然并不好回答——因为它不是一个单纯的天文问题，而是涉及到国家科技研发投入、天文学发展规律、中国科技实力对美国的追赶等很多复杂的科技史与科技政策问题。

所以我这个回答，不敢说是回答，只能说是为了抛砖引玉，跟诸位随便聊聊这个话题，引用的数据肯定谈不上全面严谨，大致有个感觉就好。

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我想首先，对于不熟悉天文领域的读者，可能要先了解一下近几十年来天文学中大望远镜项目的发展趋势。

从90年代初开始，欧美日一大批8-10米级的地基光学望远镜上马，典型的有夏威夷莫纳克亚的2x10米凯克望远镜、8米的昴星团望远镜等，累计已有十余台。

同样是在90年，美国发射哈勃空间望远镜，迄今30年，产出论文15000篇以上，成为历史上最高产的科学装置（可能没有之一）。

而这些欧美发达国家发射的空间望远镜绝不止有哈勃，还有遍布整个电磁波谱的一支庞大舰队^[1]：

在光学望远镜之外，射电天文学也迎来了许多新一代的关键设备，比如欧美日在智利建设的亚毫米波阵列ALMA：

现在欧美正在发展的地基光学望远镜，已经来到了30-40米级：

2021年年底刚刚发射的詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST），号称哈勃望远镜接班人，口径达到哈勃近3倍，造价高达～100亿美元：

JWST虽然以不断延期超预算闻名，但现在已经终于顺利展开并基本完成校准，马上就可以开工了。

各位要知道，这里面每一个点出名字的，都是这个领域（某个时期的）旗舰项目，在它们建设期间，还有一大批口径稍小的望远镜在建设或规划中。可以说整个当代天文大设备的世界版图，是令人眼花缭乱、目不暇接的。

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那这几十年来，中国天文有什么？

虽然似乎这部分要是写的太简略，会显得像是无视了很多人的努力。但是和整个国际天文界一比，我还是想说，中国的天文大设备，太少了。

2008年，我们建成了郭守敬望远镜，具有世界上最高的光谱获取效率，但是受限于台址水平，它没有发挥出全部实力。而且请记得，它只是一台4-6米级望远镜，在当时也只能算中型望远镜。

2016年，贵州的500米口径射电望远镜（FAST）开光，取代了阿雷西博望远镜成为世界上最大的单口径射电望远镜。这次确实是货真价实的最大，在包括李老板在内很多人的努力下，它也确实是不断在做出世界级的科研成果，像前几天的这条新闻：

但是基本也就这样了。中国已经建成并且在国内公认有影响力的天文大设备，基本上就只有这俩能摆得上台面了。其他的虽然也建了很多设备，在一些小领域也可能有局部优势，但是没有太多能拿出来说的例子了。

光学望远镜方面，国内天文界主推12米望远镜，已经说了有几年时间，但是一直也没听说特别主要的进展。反而因为很多圈内的争吵，让圈外人感到困惑：

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说说中国的空间望远镜。

我在前几天一个回答中指出，中国已经发射了一系列称得上是空间望远镜的设备：

其中包括中国第一颗天文卫星「悟空」、中国第一个成像空间望远镜「慧眼」^[2]、中国第一个光学+紫外空间望远镜「仰望一号」等等。在中国空间站建成后，还会再发射一个2米口径的「巡天光学舱」，成为中国第一个大型光学空间望远镜。

但是如果大家把这个列表和NASA的空间望远镜舰队对比一下，就知道我们只能说刚刚有一点点起步而已。

通盘考虑地基大设备、空间大设备，简单粗暴以口径作为衡量标准，似乎中国天文大设备和国际水平的差距，怎么说也还有20-30年。

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大家容易想见，建大望远镜，很烧钱。

到底烧多少钱？我找到一个公式^[3]：

这是只考虑望远镜光学机构（OTA）的造价。30上面的指数，是空间or地基的意思，如果是空间，取1；如果是地基，取0。D是口径、lamda是波长、T是镜面温度，Y是建造年代。

可见在相同波段、相同的工作温度、相同建造年代下，望远镜的造价主要取决于口径（指数1.7，接近平方了）——但相同口径时，空间望远镜要比地基望远镜贵30倍。

而上面这个公式，是不包括发射费用的。望远镜本身成本，只占包括发射、运行等费用在内总成本的10-15%。

以烧掉百亿美金的JWST为例，它在最烧钱的那几年，占到了NASA天体物理预算的几乎一半^[4]，成为很多不需要使用JWST的天文学家的眼中钉，被有的人称作“正在吃掉天文学”。但对于另外一些天文学家来说，口径、温度这些物理上的瓶颈是难以靠后天努力弥补的，只有靠大型制冷空间望远镜才能解决，因此JWST又是必要的。

JWST最多的时候一年花7亿美元，这对只管印钱的美国似乎不是个事：在最高峰时，JWST只占NASA总经费的4%，而NASA经费又只占美国政府支出的0.3%。

但对中国天文界来说，这是难以想象的奢靡。“中国天眼”FAST望远镜建设一共花了12-13亿人民币，按现在的汇率，当时每年JWST花的钱可以盖4个FAST。

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中国是没钱吗？

中国当然有很多急用钱的地方，大家也知道一些地方财政状况并不很乐观。但要看研发经费投入的话，就像经济总量一样，中国大有取而代之的势头^[5]：

但购买力平价的研发经费逼近美国，和能以NASA的投入强度（甚至更高强度）去造一个大型空间望远镜，仍然不是一回事。

毕竟技术发展不能一口吃个胖子，我们在空间望远镜技术上总体落后、缺乏积累，类似的局面也出现在之前说过的地基大型望远镜上。容易想见，在地基望远镜上遇到的那些挑战、延宕、争论，也容易发生在中国下一代大型空间望远镜的推进中。

在天文大设备发展这件事上，我总有一种感觉：不要过度迷信中国整体国力的增长。整体国力增长并不一定能立即传导到各个领域，每个领域往往还是要按照自身的发展规律来，一步一个脚印的往前走。所以「远超韦布的太空巨眼」，对现状仍然落后20-30年的中国天文大设备这个领域来说，至少在十年之内，还是可望而不可及的。

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大望远镜是天文学发展水平的一个显著标志，但是也并不是有了大望远镜就可以做好科学。

我应该特别指出，李老板并不是一个迷信造大望远镜的造镜狂魔。

在录制完 @未来中国 节目后和李老师的茶叙中，老板滔滔不绝的讲了三个小时科学idea，其中表达了一个意思，我觉得很受用：

大致是说，很多人还把思路停留在再造更大的FAST、甚至到月球上造FAST（我心里一慌，难道我意淫月背大坑造大镜被看破了？），这是浅薄了。

他说，FAST已经找到很多脉冲星，而你永远可以去找更多脉冲星。但是这种路径依赖对于科学发现并不一定是好事。

在我的理解中，李老师嗅探出的很多新方向，已经不是单纯增加设备口径就能解决的。他在开辟新的波段、新的关注点、新的思考方式。这些新思想的重要性，也决不亚于不断增加望远镜口径的重要性。

所以从这个角度来说，我个人猜测李老师在节目上问这个问题，很大程度上是因为「大望远镜」这种直观好理解的概念，最容易被观众接受，这是为照顾观众知识背景、照顾节目效果而提出的简化问题。

参考

1. ^ https://www.nsf.gov/attachments/135309/public/Hertz_AAAC_Telecon_Feb2016_FINAL.pdf
2. ^ 李菂老师的父亲李惕碚院士提出推动的项目
3. ^ https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/34_parametric_cost_model_for_ground_and_space_telescopes_presentation_for_nasa_cost_symposium.pdf
4. ^ https://www.nsf.gov/attachments/135309/public/Hertz_AAAC_Telecon_Feb2016_FINAL.pdf
5. ^ https://www.aaas.org/news/snapshot-us-rd-competitiveness-2020-update

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