NASA 考慮其下一代旗艦太空望遠鏡

NASA 正面臨著一個令人難以置信的挑戰：預測未來二十年天文學的狀態，併為未來設計一臺望遠鏡。這種預測壯舉是必要的，因為 NASA 的旗艦任務，即哈勃太空望遠鏡級別的天文臺，這些天文臺重新定義了我們對宇宙的理解，至少需要提前那麼多的時間進行規劃。為此，該太空機構剛剛啟動了一系列研究，以考慮四個可能的主要任務——其中一項最有可能在 2035 年左右發射。

四月份，由來自世界各地的科學家組成的四個“科學和技術定義團隊”將開始勾勒出各種潛在的旗艦任務。2019 年，這些團隊將把他們的最終報告提交給國家科學院，其獨立的十年調查委員會就 NASA 應該優先考慮哪個任務提供建議。從這個過程的開始到完成建造，將近 20 年的時間會過去。“太空是艱難的。這些東西很大，”NASA 天體物理學部主任保羅·赫茨說。“把它做好需要很長時間。”

NASA 正在考慮的任務被稱為遠紅外巡天儀、X 射線巡天儀、宜居行星成像任務 (HabEx) 和大型紫外-光學-紅外巡天儀 (LUVOIR)。

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LUVOIR：超級哈勃

LUVOIR 將擁有一個 8 到 16 米寬的反射鏡，即使在範圍的較小端，也是哈勃望遠鏡的三倍多。LUVOIR 的反射鏡很可能由較小的片段拼接而成，就像馬賽克一樣，因為以必要的精度建造一個如此巨大的反射鏡幾乎是不可能的。在與哈勃望遠鏡相同的波長下，LUVOIR 可以拍攝出與前者望遠鏡聞名的相同型別的引人注目的照片，並且像哈勃望遠鏡一樣，它也可以使用光譜儀將光線分解成組成顏色。該天文臺將是多面手，能夠觀察恆星、星系和黑洞的形成和演化。

但 LUVOIR 研究行星的潛力最讓科學家們興奮。該望遠鏡有可能找到圍繞附近恆星執行的地球大小的世界，然後確定它們是否真的像地球。LUVOIR 的光譜儀將解析大氣層中是否存在生物學跡象，或者至少是適合生命存在的跡象。“潛在的宜居行星，甚至可能是有生命的行星的發現，真的會催生今天不存在的全新的科學領域，”NASA 戈達德太空飛行中心的天體物理學家，LUVOIR 團隊的首席研究科學家 Aki Roberge 說。但該望遠鏡將觀察所有型別的行星，而不僅僅是那些讓我們想起家園的行星，從而幫助揭示地球是正常的還是異常的。

行星不容易成像，因為它們的恆星亮度大約亮 100 億倍。為了發現那些遙遠的世界，LUVOIR 要麼需要日冕儀——望遠鏡上的一個圓盤，可以阻擋來自恆星的光線，很像月球在日食期間阻擋陽光——要麼需要星影儀，一個位於望遠鏡前面的螢幕，以完成相同的壯舉。

HabEx：行星獵手

正在考慮的另一臺望遠鏡 HabEx 與 LUVOIR 有許多相似之處。與該天文臺一樣，HabEx 也將是一臺“瑞士軍刀”望遠鏡，具有研究多種天文現象的能力，但它的設計將更狹隘地圍繞著觀測行星的目標。它將進行最佳化，以搜尋和成像恆星宜居帶中地球大小的世界，液態水可以在那裡存在。憑藉其 4 到 8 米的反射鏡，HabEx 將旨在瞭解太陽系之外的類地世界可能有多普遍及其特徵範圍。與 LUVOIR 一樣，它將使用光譜儀研究行星大氣層，並使用日冕儀或星影儀遮蔽陽光。

遠紅外巡天儀：夜視鏡

HabEx 和 LUVOIR 都收集人眼可以看到的能量範圍內的光。但是第三個候選者，遠紅外巡天儀，將看到非常長波長的不可見光，這些光位於電磁頻譜的一個範圍內，到目前為止，望遠鏡基本上忽略了這個範圍。利用這種光，科學家們可以及時回溯到最早的星系，這些星系的光波被宇宙的膨脹拉伸了。

紅外光揭示了宇宙中其他無法探測到的部分，那些被塵埃籠罩的物體，例如正在形成的恆星和行星。可能導致生命的星際化合物以及有史以來形成的最初星系也出現在這些波長中。NASA 總部天文學家，遠紅外巡天儀團隊的專案科學家 Kartik Sheth 說，對我們如何來到這裡的此類調查只能透過遠紅外望遠鏡進行。它需要一個大的反射鏡或孔徑，以及觀察大片天空的能力。

製冷是科學家們仍在研究的這個望遠鏡計劃的一個問題，但它是關鍵：望遠鏡裝置發射的紅外輻射（熱量）越多，儀器就會變得越熱，從而掩蓋了它可能從深空中拾取的微弱紅外訊號。“如果我們確實發射了一個更大的孔徑，我們如何冷卻更大的孔徑？”Sheth 問道。如果他們想研究宇宙的起源，他們將不得不使用液氦將整個東西冷凍到接近絕對零度的溫度。

X 射線巡天儀：回顧過去

最終的望遠鏡選擇，X 射線巡天儀，也將瞄準宇宙中人眼看不見的部分。“X 射線天體物理學，因為它能量很高，可以讓你看到你在任何其他波長都看不到的東西，”NASA 馬歇爾太空飛行中心的 Jessica Gaskin 說，她是該天文臺科學研究團隊的負責人。在這些能量下，巡天儀還可以回答深層次的“最初”問題——但與紅外望遠鏡不同。該儀器將回顧黑洞是如何開始的，星系是如何圍繞它們形成的，以及宇宙的整體結構是如何形成的。“它們都回溯到從宏大的意義上理解我們宇宙的演化，”Gaskin 說。

該團隊希望設計一臺靈敏度比之前的 X 射線任務高約 50 倍的望遠鏡，即目前在軌道上執行的名為錢德拉 X 射線天文臺的望遠鏡，並且能夠繪製出同樣詳細的地圖。“它絕對具有超越能力，”Gaskin 說。然而，為了製造這樣一臺望遠鏡，科學家們將不得不弄清楚如何製造一個直徑巨大但不重的反射鏡——這項壯舉將需要開發新技術。“現在我們可以製造效能非常好的厚光學元件，”她說。“但挑戰在於製造能夠始終如一地發揮作用的薄光學元件。”

為了展望過去，NASA 必須看到未來

規劃這些望遠鏡所涉及的挑戰，更不用說團隊無法預料的障礙，都需要一段時間才能解決。四月底，各團隊將向 NASA 提交他們對當前任務的初步想法。然後，在八月份，他們必須各自提交一份“研究計劃”，詳細說明他們的時間表以及他們定義每個望遠鏡的目標、範圍和成本所需的資源。經過兩年的工作，在 2019 年 3 月，各團隊將提交他們的報告，每份報告都儘可能最好地闡述了每個天文臺實現的可能性。然後，十年調查小組將對這些專案進行評級和排名，就應該追求哪個專案向太空機構提供建議，屆時 NASA 將採取第一步，實現這些望遠鏡中的一個在 2030 年代發射。

由於其跨世代的時間線，發射旗艦任務就像建造金字塔一樣——如果從金字塔的頂峰，你可以看到星系的起源，窺視行星的大氣層，並觀看超大質量黑洞的誕生。但只有 NASA 的旗艦任務才能做到這一點——在幾年後，我們將知道 NASA 將選擇哪個未來。