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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./astronomy-news/2020-decadal-survey-future-astronomy/

四個方案正在角逐爭奪美國宇航局的下一代空間望遠鏡研發(fā)任務。從尋找系外行星到觀測X射線，未來的望遠鏡會長成什么樣？

發(fā)揮我們的想象力。在未來的某一天，我們會在另一個地球上拍到海洋嗎？我們會捕捉到宇宙最早期黑洞的蹤跡，還是繪制出看不見的宇宙暗物質網(wǎng)？我們會發(fā)現(xiàn)行星和生命的起源嗎？這些是當今天文學中最緊迫的問題，而答案通過建造更先進的望遠鏡就可能得到。

天文學家正在研究四個方案：HabEx, LUVOIR, Lynx, 和”起源”

NASA

明年年初，跨越多個學科的最厲害的天文學家團隊將確定未來十年天文學的優(yōu)先研究事項。根據(jù)美國國家科學院的選擇，該小組將評估四個空間望遠鏡任務——其中任何一個任務都可以改變天文學的面貌，以及10個較小的探測器任務。然后，天文學家將在一份名為十年調查的報告中闡述對未來天文學研究的愿景。

在過去的50年里，十年規(guī)劃為空間天文學確定了發(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)先級的太空任務最終都會進入發(fā)射臺。該清單包括哈勃空間望遠鏡，該望遠鏡在1972年的報告中得到優(yōu)先考慮并于1990年發(fā)射;錢德拉X射線望遠鏡，于1982年獲得優(yōu)先考慮，并于1999年發(fā)射; 斯皮策空間望遠鏡于1991年獲得優(yōu)先考慮并于2003年發(fā)射升空。

接下來是詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（JWST）在2000年被優(yōu)先考慮，然后是廣角紅外探測望遠鏡（WFIRST），在2010年的十年規(guī)劃中獲得第一名。這兩項任務尚未啟動。雖然它們可能仍然可能進入太空，但詹姆斯·韋伯由于許多延誤和預算超支大大提高了政治成本。這也是為什么2016年美國宇航局開始計劃為四個“大型任務”：HabEx，LUVOIR，Lynx和”起源” Space Telescope（按字母順序排列）的方案提供詳細研究的資金，這些資金包括了從成本計算模型到工作分解結構的所有內(nèi)容。

通過這些研究，美國宇航局希望避開類似JWST的情況。LUVOIR團隊成員John O'Meara（W. M. Keck天文臺）說：“現(xiàn)在，這四項方案中的每項方案都比歷史上的任何一次十年調查的大型任務所做的研究要多得多?！?/p>

“大”不能準確形容這些項目; “轉型”可能能更合理地形容它們。這些項目中任何一個所承諾的潛力都讓天文學家感到震驚。從地球大小行星的直接成像到觀測到在宇宙早期的第一個黑洞，這些任務保證將為天文學帶來巨大的收益。

盡管尚未公布最終成本估算，但這些任務中的任何一項都需要至少數(shù)十億美元來設計，建造和發(fā)射。因此，十年委員會只會優(yōu)先考慮其中一項任務。

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HabEx：哈勃 2.0

可以將HabEx視為下一代哈勃空間望遠鏡。HabEx配有4米主鏡 ——是哈勃望遠鏡主鏡直徑的兩倍 ——可以探測到近紅外，可見光和紫外線波段。但它與眾不同的地方在于：HabEx配備了一個日冕儀和一個直徑52米長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飛行，離望遠鏡大約76,000公里。

HabEx任務的藝術家概念圖顯示了望遠鏡和將隨之飛行的獨立恒星遮擋物（不按比例）。

HabEx / NASA

這個古怪的設置的最終目標是：找到另一個地球并進行研究。HabEx將對類似太陽的恒星周圍的十幾個巖質、地球大小的行星進行成像和表征。該任務的儀器套件旨在尋找可居住的大氣層和生物化學標志的跡象，稱為生物印記，這包括在這些行星的大氣中測量氧氣，二氧化碳和甲烷的吸收特征。HabEx甚至可以檢測到海洋上閃爍的星光。

直接對系外行星成像是這項任務中最棘手的部分。雖然自20世紀90年代以來一直在研究利用遮擋物探測系外行星，但是之前從未實踐過。需要“太空雛菊”的原因是，雖然望遠鏡內(nèi)的日冕儀可以阻擋主星的大部分光線，但是一些星光會不可避免地會散射回視野中。太空雛菊可防止這種反向散射，從而可以探測到較小和較暗的行星。

HabEx的技術難關主要有兩個：首先，太空雛菊必須在望遠鏡外自行飛行，使用自己的推進系統(tǒng)，不僅要與望遠鏡保持一致，還要能自主推進轉向新的目標。其次，太空雛菊必須折疊發(fā)射然后在太空中展開，幾乎沒有容錯的余地。

太空雛菊展開步驟

HabEx / NASA

也就是說，HabEx并非100％依賴于太空雛菊：該團隊正在考慮總共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。

“我們首選的架構是最昂貴的配置，需要開發(fā)的技術最多，”HabEx團隊聯(lián)合主席高迪說。“所有其他配置都比較便宜，需要更少的技術就能實現(xiàn)，但當然它們也無法做多少科學研究?！?/p>

盡管如此，HabEx的科學價值遠遠不止于尋找系外行星。望遠鏡觀測時間的一半將用于一般事業(yè)，使天文學家能夠探索從宇宙中缺失的物質到觀測類似海王星、天王星的冰質巨行星表面的極光等一系列課題。從某種意義上說，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鏡的兩倍，由此HabEx將擁有四倍的光子聚集能力，并配有改進的相機和光譜技術。HabEx將看到比哈勃更多更遠的地方。

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LUVOIR：更強大的望遠鏡

如果HabEx是下一代哈勃望遠鏡，則可以將大型紫外/光學/紅外測量儀（LUVOIR）稱得上是蜘蛛俠版的哈勃望遠鏡。LUVOIR的最大亮點是其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。該團隊還展示了一種替代配置，即一個更小但仍舊可以說是史無前例的8米口徑的拼接主鏡。

這是中期報告中發(fā)布的15米LUVOIR望遠鏡的初步概念。遮陽板被繪制成透明，以便航天器可見。前視圖顯示了主鏡和輔助支撐結構，而后視圖并突出顯示了支撐框架，其中包含四個儀器。

LUVOIR / NASA

和JWST和WFIRST一樣 ，LUVOIR將在距離地球150萬公里的L2拉格朗日點繞太陽運行。但與其他任務不同，LUVOIR可由宇航員改裝，它提供了一個安全網(wǎng)，雖然價格昂貴，但使人工更換和升級儀器成為可能。

如果任務超過10年，則必須進行人工調整。為了防止航天器在太空中翻滾，它將使用微型推進器，而不是使用在哈勃和開普勒上失敗過的飛輪保持姿態(tài)穩(wěn)定。但是，由于它的口徑高達15米，用于隔離太陽熱量的遮光板也長達80米（因此它不能獲取太陽能），LUVOIR的燃料消耗會很快，這會限制它的壽命，除非它重新加填燃料。

這個示意圖顯示了LUVOIR與其他望遠鏡相比的能力。 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的目標是直接成像系外行星 ——不僅是十幾個，比如HabEx，而是上百個。與HabEx不同，LUVOIR不需要一個巨大的太空雛菊進行遮擋。并且它的光學系統(tǒng)可精確調整到皮米級穩(wěn)定性，同時下一代日冕儀可達到極高的靈敏度，使得LUVOIR足以回答這個問題：在我們的宇宙中，可居住的行星和生命是否常見？

“我可以想象兩種情景，”O(jiān)’Meara說?！耙环N是調查類太陽星周圍宜居帶里的100顆類地行星時，一個生命也沒有發(fā)現(xiàn)。另一種是發(fā)現(xiàn)生命很豐富。”

團隊成員Aki Roberge（NASA Goddard）解釋說，大樣本量對于區(qū)分是否存在生命是至關重要的?！癏abEx不能這樣做，因為它們的樣本量太小了。 LUVOIR更大的望遠鏡孔徑使我們獲得的樣本量更大?！?/p>

Gaidi同意這一點：“HabEx將是嘗試理解這個問題的'第一步'。而LUVOIR是一個“巨大的飛躍”，試圖不僅回答這個問題，而且還能提供強有力的數(shù)據(jù)?！?/p>

尋找系外行星遠非LUVOIR唯一的優(yōu)勢。望遠鏡將看到33-34星等的天體，遠弱于在地球上可見的所有天體（由于在地球天空背景會有30星等的天空閃光），并且比哈勃望遠鏡的31星等更暗?！拔覀兩踔吝€沒有觀測到過這么暗的天體的宇宙學模擬，”O(jiān)’Meara說。“我們將打開未知的新領域?！?/p>

左圖是哈勃望遠鏡拍攝的一個低質量的星系，其光線在到達望遠鏡之前已經(jīng)運行超過了100億年。右邊是模擬顯示的LUVOIR觀測的同一個星系中的細節(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觀測到整個宇宙中的矮星系，目前的望遠鏡無法探測到這些星系?！笆褂肔UVOIR這樣的望遠鏡，” O’Meara指出，“我們能夠看到距離100億光年遠的100個太陽質量的矮星系。”這樣一個強大的望遠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，但目前還無法直接觀測到。

但強大的力量也帶來了巨大的成本?！癓UVOIR可以說是四大任務中最雄心勃勃的， O’Meara說?！爱斎唬@會帶來成本。LUVOIR會超過50億美元?！?/p>

責任編輯：陳艷玲

牧夫新媒體編輯部

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木衛(wèi)二在木星大紅斑上的影子，這是一張復合圖，來自伽利略號2000年5月22日，1997年9月19日，以及卡尼西號2000年12月29日拍攝到的圖像，圖來自Jason Major。

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