周三 · 太空探索 |周四 · 觀測(cè)指南
周五 · 深空探測(cè)|周六 · 茶余星話|周日 · 視頻天象
翻譯：陳艷玲
校譯：華子乾 陸寅楓 田程偲 汪榮鑫
編排：胡暖暖
原文鏈接：https://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/2020-decadal-survey-future-astronomy/
四個(gè)方案正在角逐爭(zhēng)奪美國(guó)宇航局的下一代空間望遠(yuǎn)鏡研發(fā)任務(wù)。從尋找系外行星到觀測(cè)X射線，未來(lái)的望遠(yuǎn)鏡會(huì)長(zhǎng)成什么樣？
發(fā)揮我們的想象力。在未來(lái)的某一天，我們會(huì)在另一個(gè)地球上拍到海洋嗎？我們會(huì)捕捉到宇宙最早期黑洞的蹤跡，還是繪制出看不見(jiàn)的宇宙暗物質(zhì)網(wǎng)？我們會(huì)發(fā)現(xiàn)行星和生命的起源嗎？這些是當(dāng)今天文學(xué)中最緊迫的問(wèn)題，而答案通過(guò)建造更先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡就可能得到。
天文學(xué)家正在研究四個(gè)方案：HabEx, LUVOIR, Lynx, 和”起源”
NASA
明年年初，跨越多個(gè)學(xué)科的最厲害的天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)將確定未來(lái)十年天文學(xué)的優(yōu)先研究事項(xiàng)。根據(jù)美國(guó)國(guó)家科學(xué)院的選擇，該小組將評(píng)估四個(gè)空間望遠(yuǎn)鏡任務(wù)——其中任何一個(gè)任務(wù)都可以改變天文學(xué)的面貌，以及10個(gè)較小的探測(cè)器任務(wù)。然后，天文學(xué)家將在一份名為十年調(diào)查的報(bào)告中闡述對(duì)未來(lái)天文學(xué)研究的愿景。
在過(guò)去的50年里，十年規(guī)劃為空間天文學(xué)確定了發(fā)展方向。至少到目前為止，任何在特定十年中獲得最高優(yōu)先級(jí)的太空任務(wù)最終都會(huì)進(jìn)入發(fā)射臺(tái)。該清單包括哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，該望遠(yuǎn)鏡在1972年的報(bào)告中得到優(yōu)先考慮并于1990年發(fā)射;錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡，于1982年獲得優(yōu)先考慮，并于1999年發(fā)射; 斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡于1991年獲得優(yōu)先考慮并于2003年發(fā)射升空。
接下來(lái)是詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）在2000年被優(yōu)先考慮，然后是廣角紅外探測(cè)望遠(yuǎn)鏡（WFIRST），在2010年的十年規(guī)劃中獲得第一名。這兩項(xiàng)任務(wù)尚未啟動(dòng)。雖然它們可能仍然可能進(jìn)入太空，但詹姆斯·韋伯由于許多延誤和預(yù)算超支大大提高了政治成本。這也是為什么2016年美國(guó)宇航局開(kāi)始計(jì)劃為四個(gè)“大型任務(wù)”：HabEx，LUVOIR，Lynx和”起源” Space Telescope（按字母順序排列）的方案提供詳細(xì)研究的資金，這些資金包括了從成本計(jì)算模型到工作分解結(jié)構(gòu)的所有內(nèi)容。
通過(guò)這些研究，美國(guó)宇航局希望避開(kāi)類似JWST的情況。LUVOIR團(tuán)隊(duì)成員John O'Meara（W. M. Keck天文臺(tái)）說(shuō)：“現(xiàn)在，這四項(xiàng)方案中的每項(xiàng)方案都比歷史上的任何一次十年調(diào)查的大型任務(wù)所做的研究要多得多。”
“大”不能準(zhǔn)確形容這些項(xiàng)目; “轉(zhuǎn)型”可能能更合理地形容它們。這些項(xiàng)目中任何一個(gè)所承諾的潛力都讓天文學(xué)家感到震驚。從地球大小行星的直接成像到觀測(cè)到在宇宙早期的第一個(gè)黑洞，這些任務(wù)保證將為天文學(xué)帶來(lái)巨大的收益。
盡管尚未公布最終成本估算，但這些任務(wù)中的任何一項(xiàng)都需要至少數(shù)十億美元來(lái)設(shè)計(jì)，建造和發(fā)射。因此，十年委員會(huì)只會(huì)優(yōu)先考慮其中一項(xiàng)任務(wù)。
1
HabEx：哈勃 2.0
可以將HabEx視為下一代哈勃空間望遠(yuǎn)鏡。HabEx配有4米主鏡 ——是哈勃望遠(yuǎn)鏡主鏡直徑的兩倍 ——可以探測(cè)到近紅外，可見(jiàn)光和紫外線波段。但它與眾不同的地方在于：HabEx配備了一個(gè)日冕儀和一個(gè)直徑52米長(zhǎng)的可折疊的恒星遮擋物（又名太空雛菊），使用它們可以直接拍攝小型系外行星。日冕儀在航天器內(nèi)部，但是恒星遮擋物等將與主鏡分開(kāi)飛行，離望遠(yuǎn)鏡大約76,000公里。
HabEx任務(wù)的藝術(shù)家概念圖顯示了望遠(yuǎn)鏡和將隨之飛行的獨(dú)立恒星遮擋物（不按比例）。
HabEx / NASA
這個(gè)古怪的設(shè)置的最終目標(biāo)是：找到另一個(gè)地球并進(jìn)行研究。HabEx將對(duì)類似太陽(yáng)的恒星周圍的十幾個(gè)巖質(zhì)、地球大小的行星進(jìn)行成像和表征。該任務(wù)的儀器套件旨在尋找可居住的大氣層和生物化學(xué)標(biāo)志的跡象，稱為生物印記，這包括在這些行星的大氣中測(cè)量氧氣，二氧化碳和甲烷的吸收特征。HabEx甚至可以檢測(cè)到海洋上閃爍的星光。
直接對(duì)系外行星成像是這項(xiàng)任務(wù)中最棘手的部分。雖然自20世紀(jì)90年代以來(lái)一直在研究利用遮擋物探測(cè)系外行星，但是之前從未實(shí)踐過(guò)。需要“太空雛菊”的原因是，雖然望遠(yuǎn)鏡內(nèi)的日冕儀可以阻擋主星的大部分光線，但是一些星光會(huì)不可避免地會(huì)散射回視野中。太空雛菊可防止這種反向散射，從而可以探測(cè)到較小和較暗的行星。
HabEx的技術(shù)難關(guān)主要有兩個(gè)：首先，太空雛菊必須在望遠(yuǎn)鏡外自行飛行，使用自己的推進(jìn)系統(tǒng)，不僅要與望遠(yuǎn)鏡保持一致，還要能自主推進(jìn)轉(zhuǎn)向新的目標(biāo)。其次，太空雛菊必須折疊發(fā)射然后在太空中展開(kāi)，幾乎沒(méi)有容錯(cuò)的余地。
太空雛菊展開(kāi)步驟
HabEx / NASA
也就是說(shuō)，HabEx并非100％依賴于太空雛菊：該團(tuán)隊(duì)正在考慮總共9種配置。替代方案包括用3.2米的組裝鏡替換4米鏡，以及不包括日冕儀或太空雛菊或兩者都不包括的配置。
“我們首選的架構(gòu)是最昂貴的配置，需要開(kāi)發(fā)的技術(shù)最多，”HabEx團(tuán)隊(duì)聯(lián)合主席高迪說(shuō)?！八衅渌渲枚急容^便宜，需要更少的技術(shù)就能實(shí)現(xiàn)，但當(dāng)然它們也無(wú)法做多少科學(xué)研究?！?/p>
盡管如此，HabEx的科學(xué)價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于尋找系外行星。望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)時(shí)間的一半將用于一般事業(yè)，使天文學(xué)家能夠探索從宇宙中缺失的物質(zhì)到觀測(cè)類似海王星、天王星的冰質(zhì)巨行星表面的極光等一系列課題。從某種意義上說(shuō)，它將完成哈勃現(xiàn)在所做的大部分工作。但HabEx并不只是取代哈勃。它的主鏡的尺寸是哈勃望遠(yuǎn)鏡的兩倍，由此HabEx將擁有四倍的光子聚集能力，并配有改進(jìn)的相機(jī)和光譜技術(shù)。HabEx將看到比哈勃更多更遠(yuǎn)的地方。
2
LUVOIR：更強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡
如果HabEx是下一代哈勃望遠(yuǎn)鏡，則可以將大型紫外/光學(xué)/紅外測(cè)量?jī)x（LUVOIR）稱得上是蜘蛛俠版的哈勃望遠(yuǎn)鏡。LUVOIR的最大亮點(diǎn)是其15米口徑的拼接主鏡，在發(fā)射后將以與JWST相同的方式展開(kāi)。該團(tuán)隊(duì)還展示了一種替代配置，即一個(gè)更小但仍舊可以說(shuō)是史無(wú)前例的8米口徑的拼接主鏡。
這是中期報(bào)告中發(fā)布的15米LUVOIR望遠(yuǎn)鏡的初步概念。遮陽(yáng)板被繪制成透明，以便航天器可見(jiàn)。前視圖顯示了主鏡和輔助支撐結(jié)構(gòu)，而后視圖并突出顯示了支撐框架，其中包含四個(gè)儀器。
LUVOIR / NASA
和JWST和WFIRST一樣 ，LUVOIR將在距離地球150萬(wàn)公里的L2拉格朗日點(diǎn)繞太陽(yáng)運(yùn)行。但與其他任務(wù)不同，LUVOIR可由宇航員改裝，它提供了一個(gè)安全網(wǎng)，雖然價(jià)格昂貴，但使人工更換和升級(jí)儀器成為可能。
如果任務(wù)超過(guò)10年，則必須進(jìn)行人工調(diào)整。為了防止航天器在太空中翻滾，它將使用微型推進(jìn)器，而不是使用在哈勃和開(kāi)普勒上失敗過(guò)的飛輪保持姿態(tài)穩(wěn)定。但是，由于它的口徑高達(dá)15米，用于隔離太陽(yáng)熱量的遮光板也長(zhǎng)達(dá)80米（因此它不能獲取太陽(yáng)能），LUVOIR的燃料消耗會(huì)很快，這會(huì)限制它的壽命，除非它重新加填燃料。
這個(gè)示意圖顯示了LUVOIR與其他望遠(yuǎn)鏡相比的能力。 LUVOIR-A代表15米主鏡，而LUVOIR-B代表8米主鏡。
NASA / New Horizons / J. Friedlander & T. B. Griswold (NASA GSFC)
LUVOIR的目標(biāo)是直接成像系外行星 ——不僅是十幾個(gè)，比如HabEx，而是上百個(gè)。與HabEx不同，LUVOIR不需要一個(gè)巨大的太空雛菊進(jìn)行遮擋。并且它的光學(xué)系統(tǒng)可精確調(diào)整到皮米級(jí)穩(wěn)定性，同時(shí)下一代日冕儀可達(dá)到極高的靈敏度，使得LUVOIR足以回答這個(gè)問(wèn)題：在我們的宇宙中，可居住的行星和生命是否常見(jiàn)？
“我可以想象兩種情景，”O(jiān)’Meara說(shuō)。“一種是調(diào)查類太陽(yáng)星周圍宜居帶里的100顆類地行星時(shí)，一個(gè)生命也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)。另一種是發(fā)現(xiàn)生命很豐富?！?/p>
團(tuán)隊(duì)成員Aki Roberge（NASA Goddard）解釋說(shuō)，大樣本量對(duì)于區(qū)分是否存在生命是至關(guān)重要的?！癏abEx不能這樣做，因?yàn)樗鼈兊臉颖玖刻×恕?LUVOIR更大的望遠(yuǎn)鏡孔徑使我們獲得的樣本量更大?！?/p>
Gaidi同意這一點(diǎn)：“HabEx將是嘗試?yán)斫膺@個(gè)問(wèn)題的'第一步'。而LUVOIR是一個(gè)“巨大的飛躍”，試圖不僅回答這個(gè)問(wèn)題，而且還能提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)?！?/p>
尋找系外行星遠(yuǎn)非LUVOIR唯一的優(yōu)勢(shì)。望遠(yuǎn)鏡將看到33-34星等的天體，遠(yuǎn)弱于在地球上可見(jiàn)的所有天體（由于在地球天空背景會(huì)有30星等的天空閃光），并且比哈勃望遠(yuǎn)鏡的31星等更暗?！拔覀兩踔吝€沒(méi)有觀測(cè)到過(guò)這么暗的天體的宇宙學(xué)模擬，”O(jiān)’Meara說(shuō)。“我們將打開(kāi)未知的新領(lǐng)域?！?/p>
左圖是哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的一個(gè)低質(zhì)量的星系，其光線在到達(dá)望遠(yuǎn)鏡之前已經(jīng)運(yùn)行超過(guò)了100億年。右邊是模擬顯示的LUVOIR觀測(cè)的同一個(gè)星系中的細(xì)節(jié)。圖像的跨度是5.84弧秒。
G. Snyder (STScI)
在這樣暗弱的星等水平可能會(huì)觀測(cè)到整個(gè)宇宙中的矮星系，目前的望遠(yuǎn)鏡無(wú)法探測(cè)到這些星系?！笆褂肔UVOIR這樣的望遠(yuǎn)鏡，” O’Meara指出，“我們能夠看到距離100億光年遠(yuǎn)的100個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的矮星系?！边@樣一個(gè)強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡也可以第一次繪制出星系周圍的高溫氣體，雖然我們知道這些氣體一定存在，但目前還無(wú)法直接觀測(cè)到。
但強(qiáng)大的力量也帶來(lái)了巨大的成本。“LUVOIR可以說(shuō)是四大任務(wù)中最雄心勃勃的， O’Meara說(shuō)?！爱?dāng)然，這會(huì)帶來(lái)成本。LUVOIR會(huì)超過(guò)50億美元?！?/p>
責(zé)任編輯：陳艷玲
牧夫新媒體編輯部
本賬號(hào)系網(wǎng)易新聞·網(wǎng)易號(hào)“各有態(tài)度”簽約賬號(hào)
『天文濕刻』 牧夫出品
微信號(hào)：astronomycn
木衛(wèi)二在木星大紅斑上的影子，這是一張復(fù)合圖，來(lái)自伽利略號(hào)2000年5月22日，1997年9月19日，以及卡尼西號(hào)2000年12月29日拍攝到的圖像，圖來(lái)自Jason Major。
謝謝閱讀
聯(lián)系客服
