为了避免重蹈哈勃望远镜的覆辙，中国科学家做了这件事……

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矩阵星2026年01月15日约 6 分钟

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当我们仰望星空，那些壮观的星云、星系图片，总能引发人类对宇宙终极奥秘的无限遐想。

“创生之柱”

我们看到的这些美丽图片，大多来自于太空望远镜。这些部署在地球大气层之外的“天眼”，避开了大气的干扰，为我们揭示了一个从未如此清晰的宇宙。

然而，太空望远镜面临一个普遍存在的问题：一旦发射上天，仪器的误差就难以调整。而且太空望远镜所处的宇宙环境，看似寂静实则充满了危险。高温低温交替、微陨石撞击、宇宙射线辐射……各种可能的威胁可能会导致望远镜无法达到期望的科学目标，而修理会要花费大量的人力物力。

为了减少太空中修理望远镜的麻烦，除了在设计望远镜本身时就做到精益求精，科学家还想出了一个方法：在计算机里搭建一个“数字分身”，模拟望远镜在太空中的运行情况和成像效果，从而预估观测效果，对望远镜的设计做相应的改进。

我国载人航天工程建设的旗舰级空间天文观测设施——中国空间站巡天空间望远镜（CSST），最近就建造了这样一套仿真系统。科学家可以直接分析望远镜的“数字分身”，提前预判潜在风险并评估科学产出，从而为未来真实的观测任务筑牢数据处理与效能评估的基石。1月7日，相关研究成果以专刊形式，在中国科学院国家天文台主办的国际学术期刊《天文和天体物理学研究》（Research in Astronomy and Astrophysics，RAA）发表。

哈勃望远镜的“反面教材”

说到太空望远镜，那就必须要提到大名鼎鼎的哈勃望远镜。它既是太空望远镜发射历史上的一座丰碑，却也是一个著名的“反面教材”。

哈勃望远镜（图片来源：NASA）

1990年，哈勃望远镜承载着人类的厚望发射升空，但传回的第一批照片却让科学家大跌眼镜——照片竟然是模糊的！经过紧急排查，模糊的原因竟然是主镜边缘在制造时多磨掉了几微米。虽然这个尺度只有头发丝的几十分之一，但是却对望远镜的成像造成了严重干扰。

哈勃望远镜传回的第一张照片（图片来源：NASA）

理论上，如果发射前在地面做足了全系统仿真测试，这个错误并不难被发现。但受限于当时的经费和技术，哈勃最终在太空中“近视”了整整三年，直到NASA耗费巨资发射航天飞机，派宇航员上天给它戴上“眼镜”才得以修复。

宇航员维修哈勃望远镜（图片来源：NASA）

为了避免哈勃望远镜的前车之鉴，后来的詹姆斯·韦布望远镜采用了一套全方位的仿真验证与地面测试体系。韦布望远镜部署在距离地球150万公里之外，一旦发射上空，将无法进行太空维修。因此，韦布望远镜在地面上经历了数千次数字模拟，历时十余年的多次延期，最终于2021年成功发射，如今已顺利传回了大量宇宙照片。

CSST：未来的旗舰

随着国际上第四代空间和地面巡天望远镜的陆续建造和投入运行，如欧空局的欧几里德望远镜（Euclid）、美国的罗曼望远镜（Roman Space Telescope, RST）、鲁宾天文台（Vera C. Rubin Observatory）等，带来的100PB量级的观测数据带领人类进入大数据天文学时代。

在中国空间站建设规划中，会配备一台巡天空间望远镜（CSST），同属于第四代空间望远镜。CSST是口径2米的空间光学望远镜，视场达哈勃望远镜的300倍，计划对17500平方度的天区进行巡天观测，观测星系量级将超过10亿，是中国未来十年空间光学天文的旗舰级项目。

CSST配备有巡天相机、多通道成像仪、积分视场光谱仪、系外行星成像星冕仪和太赫兹谱仪五个观测终端。CSST计划完成高空间分辨率、大天区面积的深度多色成像与无缝光谱巡天观测，并可选用多个精测模块对遴选的天体进行精细观测研究，有望在宇宙学、星系、银河系、恒星以及行星等多个天体物理领域取得重大科学发现。

携带精美的观测仪器、面对复杂的太空环境，虽然CSST预计具备在轨维护的能力，但每一次太空维修都将代价不菲。为了让望远镜能够提前演练、一上天就能进入最佳状态，中国科学家为CSST在电脑里造了一个“数字分身”。

巡天空间望远镜的“数字分身”

为保证CSST科学产出的及时性和可靠性，我国科学家针对CSST的主光机和各个观测终端，构建了一套端到端观测仿真套件。套件精细模拟了望远镜的每一个感官，包括巡天相机、多通道成像仪和系外行星成像星冕仪等5个后端模块，打造了一个望远镜的“数字分身”。

在这套仿真系统中，科学家构建了一个“数字宇宙”，模拟了光线从遥远的天体发出，穿过宇宙空间，进入望远镜，经过透镜折射等，最终打在探测器上的全过程。科学家由此可以提前演练CSST未来在太空里面可能遇到的各种小状况，比如说镜片在失重的环境下，可能产生微小形变；太空温度波动，可能干扰成像；仪器的微振动和抖动会使观测结果产生误差等等。

在光学观测中，科学家很担心“鬼像（Ghost images）”干扰观测。借助仿真系统，团队在模拟中确认，CSST的鬼像能量低于像点能量3个数量级、照度低6的数量级，对观测影响极低，因此吃下了一颗“定心丸”。

再以多通道成像仪的仿真结果为例，科学家从一个名为CosmoDC2的大型宇宙学模拟星表中，选取了一个大质量的星系团。他们利用物理学中的引力透镜原理，计算了光线经过星系团时的弯曲路径，再叠加相机的各类仪器参数，在计算机中生成了多通道成像仪中预计拍摄的图片效果。高度逼真的模拟图像成为了关键的测试基准，成为了检验地面数据处理软件的重要依据，确保未来CSST不仅能拍到图像，更能准确地处理并解读出其中隐藏的科学信息。

多通道成像仪的星系团深场模拟图像

此次构建的仿真系统对CSST观测数据实现了像素级的高质量仿真，从而能够综合评估望远镜的整体性能，为数据处理流水管线提供个性化的测试数据，也为CSST科学效能的定量评估提供了必要的工具和数据保障。

有了“数字分身”，科学家们不再是盲目等待望远镜上天，而是已经提前开始对望远镜进行科学演练。“这是CSST科学生命的预演。”正如中国科学院院士常进所言，CSST是我国空间天文观测研究的旗舰级项目，“我们用代码和像素，提前把未来的星光写进了硬盘，待CSST真正睁开双眼时，我们将迎接属于我国空间天文学的大数据天文学时代。”

作者：矩阵星
审核：

李楠，中国科学院国家天文台研究员

罗常青，中国科学院国家天文台高级工程师