NASA 正计划有史以来最大的四架太空望远镜,谁是下一代旗舰?

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  2018年,美国政府对NASA经费的使用逐渐变得严苛了起来。一方面,开普勒望远镜退役,哈勃望远镜在经历一番抢救之后还能再坚持一会。另一方面,NASA原计划部署的后代望远镜也是状况频出:詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)已经严重超支且超期而且还要继续超期几年才能做好;宽视野红外探测望远镜(WFIRST)也面临向特朗普开口增加4亿美元预算的麻烦。而且特朗普政府据说已经在考虑取消一项望远镜任务,我们不经会问:NASA后继有镜吗?

  不过大家似乎并没有气馁。在这个不太好的年头里,科学家们已经开始计划更大的望远镜了。NASA、能源部(Department of Energy)和美国国家科学基金会(National Science Foundation)在《astrophysics》杂志上展开了为期十年的调查。几十名天文学家被分成多个委员会,他们将确定科学目标,并总结出一份愿望清单,其中包括面向地面和太空的望远镜。最困难的任务之一将是决定JWST和WFIRST的四个继任者中谁(如果有的话)最有资格成为NASA的旗舰天文台,并将其在2030年发射到第二拉格朗日点(L2,位于太阳和地球之间的重力平衡点)。

  《Science》 报道总结了关于四架未来主力望远镜究竟谁是继任者的争议。

  

  大型紫外光学红外探测器(LUVOIR)是一个15米宽的庞然大物,其集光能力是哈勃太空望远镜的40倍。其目标是研究早期星系以及探索地外生命。宜居系外行星观测站(HabEx)也将关注地外生命,但它的镜子较小。HabEx将与另一艘运载足球场大小的“星影”(Starshade)航天器联合飞行。通过阻挡恒星的强光,星影会找出类地系外行星,使HabEx能够仔细观察它们微弱的光线,寻找生命的迹象。Lynx X射线天文台将研究宇宙早期黑洞的X射线信号,以了解它们如何帮助星系形成和演化。“起源”号(Origins)太空望远镜将其望远镜冷却到绝对零度以上4度,它将研究一种很少有人探索的红外辐射,这种辐射来自于为恒星和行星形成提供燃料的冷气体和尘埃。

  大型紫外光学红外探测器(LUVOIR)

  

  大型紫外光学红外探测器(LUVOIR)就像一把瑞士军刀,可以方便地折叠起来。就像它的多用途前辈哈勃太空望远镜一样,LUVOIR可以收集广谱的光。但是哈勃望远镜仅有一个2米的镜面,而LUVOIR s在一个版本中直径可达15米,比今天任何地面望远镜都要大。通过捕捉从地面上看不见的紫外波段信号,LUVOIR将看到气体循环进出星系,并观察其如何促进恒星的形成。但LUVOIR最大的麻烦是,发射前安装在火箭内的时候需要将望远镜折起来,这比之前任何望远镜的安放都要复杂。而且LUVOIR的规模是JWST的两倍多,估计JWST的80亿美元成本在LUVOIR这要翻倍。

  “起源”号(Origins)太空望远镜

  

  “起源”太空望远镜将凝视寒冷的宇宙:银河气体云、行星形成盘、系外行星大气层等,这些物体并不明亮,但在远红外线下却微弱发光。这就意味着望远镜本身必须是寒冷的,要冷却到绝对零度以上4度才能挡住自己的红外光。Origins不仅寿命长,而且非常高效:太阳能机械冷冻器将使9.1米的望远镜和它的5个仪器全部冷却,同时遮阳板将阻挡太阳的热量。通过追踪简单分子、尘埃和芳香烃的红外辐射,Origins可以追踪气体云坍缩成恒星和产生行星的尘埃盘。通过监测水的光谱线,Origins可以追踪它从星际云到原行星盘和到可居住的世界。

  X射线天文台 Lynx

  

  地球的大气层阻挡了X射线,所以天文学家必须进入太空才能看到上百万度的气体在X射线波段发光。但其实即使在太空中,高能光子也是难以捉摸的,它们直接穿过传统的镜子而不是反射。尽管美国国家航空航天局的钱德拉x射线天文台和欧洲的牛顿x射线多镜望远镜等开创性的任务已经完成,但目前已知的X射线源只有几千个。Lynx X射线观测站的设计是通过在更深更暗的天区寻找更多的光源。它将从数百面硅镜中获得前所未有的灵敏度,每面硅镜只有一毫米厚,它们排列在嵌套的外壳中,用来聚焦反光中的X射线。Lynx 的一个目标是早期宇宙中的超大质量黑洞。它们之所以是一个谜,是因为它们不可能仅仅靠吞噬恒星大小的黑洞而变得如此之大、如此之快。如果能看到被吸入的气体,可能会提供解开这个谜题的线索。Lynx 还能捕捉到恒星风、超新星和从星系中喷射出热气体的高能喷流,这些热气体反映星系的恒星形成,有望揭开星系演化的秘密。我国的慧眼卫星(HXMT)和即将发射的eXTP也让我们国家在X射线天文方面有了立足之地,如果 Lynx 上天,将会是一个强大的挑战。

  宜居系外行星观测站(HabEx)

  

  宜居系外行星观测站(HabEx)将寻找数光年之外的生命迹象。虽然目前开普勒望远镜已经间接发现了数千颗系外行星,但只有少数大型行星从恒星的耀眼光芒中露出来。而且开普勒望远镜已经退役,目前没有一台望远镜能够捕捉到像我们这样的小型岩石世界的微弱光线,更不用说将其分解以寻找氧气、甲烷和其他生物特征的迹象了。HabEx 的4米口径的单片反射镜与直径72米的星影罩配合使用,星形罩将漂浮在距离望远镜12.4万公里的地方。由于星光挡住了来自恒星的光线,HabEx 可以看到亮度非常低的行星,这些可能是用望远镜研究过的最暗的天体。HabEx还将配备日冕仪,可以阻挡星光,但效果不如星影仪,而且波长范围更窄。寻找地外生命是许多天文学家的一个目标,回答一个中级问题:我们是孤独的吗?

  每一台太空望远镜都有相当的实力,NASA部署望远镜的经验和策略可以被我们拿来借鉴。究竟哪架望远镜会是未来的旗舰,我们不得而知。大家来猜猜?

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