／CSST科学工作联合中心

当人类仰望星空，我们看到的不仅是点点星光，更是宇宙历史长河中遗留的无数秘密。近年来，从事件视界望远镜（EHT）捕捉到的首张黑洞照片，到阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）揭示的原行星盘精细结构，亚毫米波天文学正以其独特的穿透力，为我们揭开宇宙中冷暗物质、恒星诞生乃至生命起源的层层迷雾。

然而，地球大气层中的水汽会强烈吸收亚毫米波信号，使得地面观测极为困难。因此，天文学家一直在寻找地球上最极致的观测地点。

南极冰穹A，这片位于南极冰盖最高点的严寒之地，因其极低的天空水汽含量，被公认为地表最接近太空的亚毫米波观测窗口。2025年1月，由中国科学院紫金山天文台牵头的科研团队，在第41次南极科学考察中，利用自主研发的60厘米口径南极太赫兹探测器（ATE60），成功在冰穹A捕捉到了来自遥远宇宙的微弱信号——他们首次完成了对两个大质量恒星形成区（RCW 79、RCW 120）的碳原子（[CI]）和一氧化碳（CO（4-3））谱线成图观测。这一突破，不仅点亮了南极冰穹A亚毫米波天文学观测的“第一束光”，更首次完整刻画了星际介质中碳的三种形态（电离态、原子态、分子态）的转化过程，为理解大质量恒星的反馈如何塑造宇宙化学循环提供了关键证据。

在这条探索之路上，中国正迈出更坚实的一步。一座全新的、属于我们自己的空间“太赫兹慧眼”即将闪耀在太空——它就是CSST上搭载的太赫兹谱仪（Terahertz Spectrometer，TS）。与地面观测相比，这台亚毫米波太空望远镜将彻底摆脱大气干扰，以卓越的灵敏度和分辨率，在0.41-0.51太赫兹（THz）的“黄金窗口”凝视宇宙。

然而，一台顶尖的太空望远镜从诞生到产出科学成果，其背后是一场跨越数年的精密工程与数字演练。本文将带您走近这台“太赫兹慧眼”，并揭秘其正式工作前，一场至关重要的“数字演习”——观测仿真技术。

/ 宇宙的“冷”与“暗”： 

为何我们需要一台

空间亚毫米波望远镜？

宇宙并非只有璀璨的恒星和星系，其普通物质（重子物质）中大部分以星际介质形式存在。这些低温（通常仅为10-20开尔文，后简称K，约零下263至零下253摄氏度）的气体云，是恒星的摇篮，它们辐射出的光线主要集中在亚毫米波和太赫兹波段。然而，地球大气层中的水汽会吸收这些信号，使得地面观测变得极为困难，仿佛隔着浓雾看风景，这也是我们要将望远镜送上太空的原因。

CSST搭载的太赫兹谱仪，就像一只在太空中凝视宇宙的“冷眼”，专注于捕捉0.41-0.51THz（对应波长590-730微米）这一关键频段的信号。因为在这个“黄金窗口”里，隐藏着大量揭示宇宙奥秘的“密码”。

追踪宇宙碳循环。我们期待认识宇宙中的碳元素是如何从恒星内部诞生，散布到星际空间，最终汇聚成行星和生命的？TS将重点观测中性碳原子（CI）在492 GHz的特征谱线。这条谱线如同宇宙碳元素的“指纹”，能帮助我们追踪碳在银河系和邻近星系中的分布、运动和转化过程，理解原子到分子的关键一步。

绘制银河的“分子地图”：在恒星形成区（如猎户座KL星云）和晚型恒星周围，存在着成分复杂的星际分子。TS凭借其极高的灵敏度，将开展一次大规模的分子谱线巡天，如同在银河系中寻找各种有机和无机分子的“身份证”，揭示星际空间的化学多样性，为理解生命起源的化学环境提供关键线索。

/ 亚毫米波背后的

“超导”魔法

要捕捉如此微弱的宇宙信号，常规技术无能为力。TS的核心在于其采用了基于氮化铌的超导-绝缘-超导（SIS）混频器技术。基于该技术的混频器可在更高的工作温度下（8-10K，传统超导混频器工作温度约4.2K）利用超导材料的非线性特性，能够将微弱的宇宙信号（高频）与本地振荡器产生的稳定信号混合，降频为一个更低、更易处理的中频信号，同时能有效降低额外噪声。

正是这种超导技术，赋予了TS前所未有的灵敏度，使其系统噪声温度低于300K，光谱分辨率优于100千赫兹（kHz），从而有能力探测到来自宇宙边缘的微弱耳语。

/ 数字演练：

打造虚拟星空

将这样一台精密仪器送入太空后，其数据处理流程的可靠性至关重要。在轨运行期间，TS会源源不断地产生原始数据，这些数据夹杂着仪器自身的噪声、太空环境的影响，以及复杂的观测模式信息。我们需要一套复杂的软件系统——TS数据处理管线，将这些原始数据一步步校准、转换，最终成为可供天文学家直接使用的科学数据。

但在望远镜发射升空前，我们如何确保这套“管线”万无一失？答案就是——观测仿真技术。这就像在电脑里搭建了一个完全虚拟的TS，并创建了一片“虚拟天空”，然后让数据处理管线在这片虚拟天空下进行一场全面的“数字演练”。

这项仿真工作主要模拟了三个层面。

复刻“仪器个性”：每台仪器都有其独特的“性格”，比如增益的微小波动。仿真系统通过分析TS地面测试数据，利用艾伦方差分析（Allan Variance analysis）方法，量化评估了其16384个通道中每个通道的稳定性。然后，通过奥恩斯坦-乌伦贝克随机过程（Ornstein–Uhlenbeck (OU) process）数学模型，在模拟数据中复刻了相当的仪器特性，让虚拟的TS与真实的硬件拥有相似的“脾气”。

营造“太空环境”：太空并非绝对的寂静。仿真系统考虑了望远镜在轨道上运行时，进入地球阴影区或日照区时天线耦合系数的变化；模拟了宇宙射线在特定频率产生的瞬时窄带干扰；还叠加了2.7K的宇宙微波背景辐射噪声，甚至连空间站的位置、速度和姿态等模拟的在轨信息都被精确导入，用以修正观测目标因多普勒效应产生的频率偏移。

编排“观测剧本”：TS有两种主要的观测模式：单点观测（Target mode）和“飞行”扫描观测（On-The-Fly:OTF）。仿真系统像一个导演，根据预先设定的参数，精确编排了望远镜从指向目标、进行源区积分、切换至参考点、执行内部定标等每一步的时间序列，生成了逼真的“观测剧本”和数据流。

通过将上述所有要素融合在一起，仿真系统最终生成了一份与真实在轨状态高度一致的Level 0观测数据文件。这些数据被送入正在开发的数据处理管线，进行校准和成图。

验证时刻：当研究人员将管线处理后的结果，与通过独立算法（如冷热负载Y因子法）计算的标准信号进行比对时，发现二者高度吻合。在对一片更大的天区进行扫描观测模拟后，管线生成的谱线强度分布图，也与著名的天文数据处理软件（如GILDAS）的结果较好地匹配。

从数字宇宙到真实星辰这场精密的“数字演练”，不仅仅是测试，更是对中国空间站巡天望远镜太赫兹谱仪数据处理能力的全面检阅。它证明了TS数据处理管线的准确性和稳健性，确保当真实的观测数据从太空传来时，我们的科学家能够第一时间将其转化为有效的科学数据，获得可靠的科学成果。

如果说CSST是我们望向深邃宇宙的一双眼睛，那么像TS观测仿真这样的技术，就是确保这双眼睛足够明亮、足够清晰的幕后功臣。它让我们在飞向星辰大海之前，已在数字宇宙中完成了预演。当这双“太赫兹慧眼”真正在太空中睁开，它将以前所未有的视角，为我们揭示碳原子的宇宙之旅，描绘银河的分子画卷，为回答人类“我们从哪里来”这一终极命题，作出来自中国的重要贡献。

—— 本文选自《中国国家天文》2026年第4期