“毫米波射电空间物理天文台”携手向深空

文/平劲松 鲁暘筱懿

俄罗斯Millimetron空间天文台，全称为“毫米波射电空间物理天文台”（包括1个Millimetron卫星和地基观测系统），计划于2029年发射升空，它的主要任务分为两期，分别将运行于距地球150万公里的日地拉格朗日L2点区域和地月空间大椭圆轨道上。

该天文台将装备世界上最大（直径10米）的宽频谱口径空间望远镜，旨在对毫米、亚毫米和红外波段（波长范围从80微米到20毫米）开展观测，有望在现代天体物理学和宇宙学前沿领域的一系列重要科学问题上获得革命性突破，包括详细研究黑洞阴影、虫洞搜寻、星际水分子搜寻、宇宙微波背景辐射光谱畸变、恒星形成及生命起源等。

Millimetron空间天文台有两种运行模式：单天线望远镜模式和地—空甚长基线干涉测量模式（以下简称VLBI），简单来说，VLBI就是把几个相距很远的小望远镜联合起来，达到一架大望远镜的观测效果。在单天线模式下，望远镜具有极高的灵敏度，可对亚毫米和红外波段各种宇宙弱源信号开展观测。在空间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体——黑洞。正是由于其前瞻科学目标和技术占位，Millimetron空间天文台被认为是俄罗斯下一代空间VLBI项目。

Millimetron空间天文台已获俄罗斯联邦政府批准正式立项，列入2016—2025年度俄联邦空间项目（Federal Space Program，FSP）。该项目由俄罗斯科学院列别捷夫物理研究所（LPI）发起并负责，总承建单位是俄罗斯航天集团（Roscosmos）。在中俄双方科学院和航天局的合作框架下，中国科学院国家天文台、上海天文台、紫金山天文台的科研技术人员多方位参与了该项目的合作。中方提议主张的低频射电天文技术与项目合作，也纳入了Millimetron空间天文台项目的计划。中俄主要业务分工是俄方俄罗斯科学院列别捷夫物理研究所空间天文中心牵头研制国际上首个空间毫米波亚毫米波射电天文台，负责科学探索国际联合团队的组建、实施。中国科学院国家天文台承担空间低频射电天文和星地协同观测、卫星在月球空间的月球激光测距（LLR）测轨、卫星LRR测轨、星地时频传递校准、广义相对论实验验证。上海天文台负责建设中俄合作毫米波空间天文VLBI干涉测量数据分析联合中心，并承担这部分科学数据的管理、分发与研究应用。紫金山天文台承担毫米波和亚毫米波个别空间载荷的技术研发和研制。

开展联合观测与月球动力研究

近十年以来在中科院“俄乌白”合作项目和科技部国际合作项目共同支持下，国家天文台与俄罗斯空间研究所、应用天文研究所等，联合开展了地月激光与微波测距与动力学应用、月球历表构建合作、月球自转与内部构造等研究，把激光和微波技术拓展应用于地月空间科学探测与活动。

双方联合开展地月之间的微波探测技术与实验合作研究，共同研发国际领先的地月高精度微波测距技术，借助嫦娥三号月球着陆器和地面微波系统联合开展月球探测，共同搭建新技术应用验证平台，用于月球空间导航技术发展和动力学联合探测，取得了重大进展。该项地月之间的微波探测新技术的成功实施，开启了月球和行星无线电相位测距空间测量技术与应用的新篇章；首次在月球自转动力学领域获得拥有自主知识产权的新类型的空间测量数据。双方的合作促进了相关技术水平的提升，其中月球深空探测开环无线电测量技术在国际上处于领先位置。

月球历表是关于月球运行轨道、空间转动实测与精密预报信息的模型和数据库总称。中俄双方共同推进月球历表的构建和应用技术。在中方的支持推动下，俄方团队的月球历表构建方式从单一的月球激光测距（LLR），拓展到了LLR与地月微波测距技术相组合。在俄方的帮助下，中方团队突破了月球自转历表的构建和自主预报技术，可以初步稳定预报约100年的月球轨道和转动历表。基于俄罗斯团队的高精度月球和地球历表，中方团队提出了新的地月空间引力波探测和引力红移检验的策略方法，提出了新的地球定向参数的独立测量和地球表面引力红移高精度检验修正方法。基于俄罗斯团队的高精度的月球和地球历表，中方团队拓展了月球表面光照环境演化分析算法，为人类未来的月面着陆探测选址提供月面光照和对地通信可视条件预报资料。

在上述合作基础上，借助中俄各自的技术优势，双方积极推进地月之间激光测距、微波测距、VLBI、全球卫星导航系统等综合测量在国际月球科考站科学探索中的应用，共同提出在中俄月球科考站合作中联合开展月球动力学、天球参考框架连接等前瞻引领科学探索。

获得月球历表的LLR、微波测量等技术和历表本身是支撑Millimetron空间天文台任务分析、实施、数据获取与分析研究的关键环节。月球数值历表为Millimetron卫星任务和科学数据分析提供了精密的空间参考框架，地月测距技术同时也在地月空间为Millimetron卫星的精密轨道测量和星—地时频传递与同步需求提供不可或缺的业务支撑。

共同参与Millimetron项目

国家天文台下属的VLBI台站多次参与了列别捷夫物理研究所主导的俄罗斯空间VLBI项目射电天文卫星（Radio Astron Satellite)的国际联合观测，为该项目的在轨运行提供了重要支持。该卫星的地面观测由俄罗斯科学院应用天文研究所和列别捷夫物理研究所、空间研究所等主持。国家天文台促成并主持了地月空间高精度历表、参考架、VLBI、定轨导航、时间频率传递等领域的合作研究，包括为Millimetron卫星中俄地月空间的VLBI射电测量合作提供轨道测量、引力理论验证等支持。同时还在毫米波射电测量方面与俄罗斯开展合作研究，包括参与空间毫米波单天线射电天文观测科学研究，提供地面毫米波台站参与Millimetron卫星空间观测的协同观测、VLBI观测。

国家天文台近年来与列别捷夫物理研究所就Millimetron项目和空间低频VLBI技术多次互访并进行深度交流。2020年双方签署了合作备忘录，将合作发展空间低频射电天文的空间技术、开展低频射电VLBI数据分析处理和科学研究，探索宇宙早期演化奥秘和太阳系外恒星系统射电辐射特性。国家天文台还将参与Millimetron项目的卫星精密轨道测量业务，提供卫星的时频比对校准、高精度引力红移验证的星—地链路测量支撑，参与空间卫星低频射电的单站观测、地面星地协同观测和科学数据地面接收工作。

优化Millimetron设计

在空间射电天文探测领域，中国科学院国家天文台2006年开始推进国际合作空间低频射电天文探测。

电磁波多频段和多种物理场手段探测宇宙奥秘是天文学领域发展前沿。在无线电电磁波谱上，相比于其他频带，低于30MHz的低频射电天文探测和高于300GHz的高频射电天文探测还几乎是空白频段，是获得全新的天体辐射和爆发信息的关键窗口。低频射电天文观测一方面可以利用月球背面“干净”电磁环境开展，另一方面可以借助在距离上远离地球使得来自地球电磁波辐射大幅度衰减、空间望远镜在方向指向上背离地球方向时遮挡来自地球的干扰实施低频观测，两种途径都将填补低频射电观测的空白，对来自宇宙空间背景、银河系、太阳、行星的信号进行测量，可为探究这些问题作出贡献。

毫米波空间望远镜运行轨道示意图

嫦娥四号月球着陆探测为科学家提供了在月球背面和月球空间开展低频射电天文研究的绝佳起步机会，自2016年至今，国家天文台获得了嫦娥四号三个空间低频射电天文项目的支持，至今仍在实施观测任务；2018年国家天文台还获得了中国科学院月球空间低频射电天文阵列先导专项背景型号项目支持，设计并研究了一个绕月飞行的低频射电望远镜阵列，完成了任务的关键技术研究，研制了部分载荷的原理样机。

中方关于在Millimetron卫星上设置低频射电天文载荷的提议得到了俄方的支持，并将据此开展星-地低频VLBI干涉测量。在输出空间低频射电空间天文技术经验的同时，将学习俄方在先进空间天文项目科学目标的规划实施、关键技术及组织管理经验，为我国未来的空间天文项目提供技术、科学、人员储备。

中俄空间科学联合探索任务Millimetron项目，将拓展空间VLBI国际合作，为探索太空丝绸之路向太阳系和深空的延伸提供可行的参考模式。