如果「大型紫外/光學/紅外巡天望遠鏡」被 NASA 選中，那它的能力相比哈勃和詹姆斯韋伯要強大多少？

01-29

就是LUVOIR，它和HST還有JWST有多大差距？這個項目的最新進展？它的結構和設計？它將裝備的儀器？2020年被選為十年研究的可能性有多少？它的發射會帶來天文學的革命嗎？它能為我們解答現階段的大部分宇宙起源和系外行星問題嗎？它的研究範圍和深度將達到哪種程度？它會被用來研究哪些物體？
超越韋伯：科學家構想未來超級空間望遠鏡

科技在不斷發展進步，有繼承性的重點工程幾乎都秉承了一個不成文的方式：

在役一代，生產一代，研製一代，設計一代。

太空天文望遠鏡也是如此。馬賽克是人類進步的絆腳石——這句民間總結的哲理，至少在天文學領域內，如同真理一般。LUVOIR所做的，用一句話總結的話，那就是看清原本的馬賽克，看到原來看不見的馬賽克。

哈勃所能看到的冥王星和LUVOIR（模擬）的觀測效果

「大型紫外/光學/紅外巡天望遠鏡」Large UV/Optical/IR Surveyor是未來下一代太空天文望遠鏡，我們並不能肯定這台望遠鏡在二三十年後還叫這個名字，但可以肯定的是，到時候一定會有一款全新的太空天文望遠鏡橫空出世，驚艷世人。

目前太空望遠鏡的梯隊是這樣的：

在役的明星是大名鼎鼎的哈勃太空望遠鏡HST，哈勃太空望遠鏡伴隨了我們一代人的成長，帶來了前所未見的宇宙信息和絢爛多彩的星雲圖片；

生產製造中的詹姆斯韋伯太空望遠鏡JWST是NASA少有的旗艦級太空探測項目，項目預算高達$88億，相當於3個卡西尼號，或者18輛機遇號火星車，這個目前僅次於國際空間站的人類第二貴航天器預計於2019年發射，成為新時代太空觀測的中堅力量；

研製中的WFRIST-AFTA太空望遠鏡是下一個10年的中堅力量，這台紅外太空望遠鏡裝備有類似哈勃的2.4m直徑鏡片，採用了三鏡方案，同樣將被送到L2點附近。WFRIST-AFTA最突出的一點是視場可以達到哈勃的100倍，是太空望遠鏡中的廣角鏡頭。

而未來的LUVOIR，則是人類對未來太空望遠鏡的展望，無論將來的太空望遠鏡是否就是這個名稱，我們有理由相信，科學家們將傾力打造的一台太空天文望遠鏡，這台比詹姆斯韋伯太空望遠鏡功能更強大的新一代太空望遠鏡將於2035年前後橫空出世，幫我我們揭開更多宇宙的謎團。

由於LUVOIR是設計中下一代太空天文望遠鏡，因此其技術指標都將處於動態變化的過程，一方面是由於關鍵技術需要攻關，我們尚不能確定是否能實現技術突破；另一方面，新技術的誕生和新科學目標的發展可能會增加或修改系統的功能。不過總體的架構和技術難點都已經基本確定，就看科學家們的技術攻關了。

LUVOIR效果圖

LUVOIR

1#項目進展

2016年4月，NASA徵集未來新一代太空天文望遠鏡的旗艦級項目，目前有包括LUVOIR在內的四個項目參與。其中，LUVOIR是其中最綜合的太空望遠鏡，HabEx的主要探測目標是宇宙中的類地行星，OST是一款遠紅外太空望遠鏡，而Lynx猞猁號是X光太空望遠鏡。

NASA的立項評估將於2019年進行，優選出其中的一項進行優先資金投入，如果順利的話，優勝的項目將在2035年左右發射升空，其他項目則根據評估來決定是否繼續少量投入經費進行進一步研究，目前LUVOIR的最大對手是HabEx，兩者的功能和目標高度重合，細節決定成敗。OST和Lynx由於科學目標特化，有可能選中1~2個作為低級別的太空項目。

2#差距與差別

接下來，我們來對比一下老中青三代頂級太空天文望遠鏡的差別：

主反射鏡：

哈勃太空望遠鏡HST採用的是2.4m直徑的一整塊鏡片研磨而成，如此巨大的鏡片卻還有著航天史上變態級別的控溫要求：整個鏡面的溫度差不超過±0.1℃，由於地面研磨的尺寸問題，哈勃太空望遠鏡最開始是近視眼狀態的，後來在太空梭的修復後，終於不負眾望，帶來了大量高清的宇宙圖片；

詹姆斯韋伯太空望遠鏡JWST採用的是多塊拼接的等效直徑6.5m的鏡片，這些鏡片用鈹製成，表面鍍金。由於火箭運載的整流罩尺寸有限，這些拼接的鏡片需要先摺疊起來，在太空中展開；

LUVOIR目前有兩種方案，A方案的鏡片直徑為15.1m，B方案略遜一籌，也有9.2m的直徑，不過眾多科學家都傾向於在技術上實現A方案，按鏡面直徑計算，LUVOIR的光線收集能力是哈勃HST的40倍，是詹姆斯韋伯JWST的5倍，計算公式如下：

$G=left( frac{D1}{D2} ight)^{2}$

從加工誤差來看，哈勃太空望遠鏡的加工公差控制在了10nm，預計LUVOIR的加工公差在5nm的水平。

天文望遠鏡的尺寸，左下角分別是詹姆斯韋伯JWST和哈勃HST，上方的紅色是我國興隆天文站的郭守敬望遠鏡，右下角是歐洲國家在智利建造的世界上最大的光學望遠鏡

望遠鏡架構：

哈勃太空望遠鏡HST採用的是雙鏡的Ritchey–Chrétien方案，這種方案採用了單一高通量的焦平面，是較為簡單的設計方案。這一方案也是紫外光譜成像的最佳方案，反射次數少減少了損耗，且視場最大。

Ritchey–Chrétien方案，即哈勃太空望遠鏡HST採用的方案

詹姆斯韋伯JWST和LUVOIR均採用了基本的三鏡方案，即由三面曲面鏡組成的望遠鏡，此外，JWST和LUVOIR均設計了第四鏡FSM，用於更精細的觀測小範圍的目標。

三鏡方案相對於HST的雙鏡方案，具有更廣的視場。三面鏡子可以同時校正球面像差、彗星像差和散光像差，三鏡方案還可以安裝更精細的第四鏡，這些都是雙鏡方案所做不到的。

不過LUVOIR的詳細設計方案仍然很有爭議，就三鏡方案而言，支持單焦平面還是雙焦平面，JWST採用的是單焦平面的三鏡系統，這一系統的三鏡可以同時校正。

三鏡單焦平面方案，即詹姆斯韋伯太空望遠鏡JWST採用的方案

光學頻譜：

光學頻譜決定了這台望遠鏡可以看到哪一段頻譜的光線，如錢德勒太空望遠鏡主要用於X光的觀測，開普勒太空望遠鏡主要集中在可見光的觀測。

哈勃太空望遠鏡HST包含了紫外，全部可見光及近紅外，覆蓋波長115~1700nm；

詹姆斯韋伯太空望遠鏡JWST則主要是紅橙可見光及紅外，尤其突出近紅外和中紅外光譜，覆蓋波長600~28500nm。由於JWST的頻譜選擇，其成為了「藍綠色盲」，JWST拍出來的可見光照片不如哈勃那樣色彩豐富，即圖像上不會出現綠色和藍色。JWST如此偏重紅外線的選擇是有原因的，宇宙膨脹會導致紅移，使用紅外線可以更清楚，也更方便觀測更古老的星系。此外，紅外輻射可以更自由的穿過宇宙塵埃和氣體，看到那些低溫的宇宙天體；

上圖為哈勃望遠鏡的紫外+可見光成像，下圖為紅外成像，可以看到紅外成像穿透宇宙塵埃和氣體，看到了更多的天體

LUVOIR同樣包含了紫外，全部可見光及近紅外，至少覆蓋波長200~2500nm，至於2500nm以外的中紅外波長是否放入LUVOIR，仍在考慮和討論中；

由於太空中的紫外線被大氣層大量的吸收，宇宙中的紫外線難以利用地面天文望遠鏡觀測，因此哈勃壽終正寢後，JWST無法繼任這一需求，LUVOIR將接替哈勃成為全波長的太空望遠鏡，解決地面對紫外線宇宙圖像的需求。

光學頻譜帶來的另一個問題是，主紅外的太空望遠鏡需要低溫冷卻，以避免感測器自身紅外輻射造成的影響。因此JWST等諸多偏重紅外光譜的太空望遠鏡工作在低溫條件下，而哈勃HST和LUVOIR則工作在常溫狀態下；

三代望遠鏡的光學頻譜範圍（橫軸）和收集光線的能力（縱軸）

運行軌道：

哈勃太空望遠鏡HST工作在低地球軌道LEO，前身就是用於觀測地球的鎖眼系列偵查衛星，只不過哈勃的眼睛轉了個方向，朝向了深邃的宇宙，不過哈勃太空望遠鏡HST的軌道比目前主流的低地球軌道要高，在500km以上，這個高度上大氣已經足夠稀薄，幾乎不需要動力來維護空氣阻力帶來的軌道降低，這麼做可以為哈勃提供一個較為穩定的軌道環境。而目前通常的低地球軌道選擇在300~400km範圍，是為了衛星壽終正寢時有計劃的墜入地球大氣層燒毀，避免增加太空垃圾；

詹姆斯韋伯太空望遠鏡JWST和LUVOIR都選擇了日地拉格朗日點L2，設太陽質量M，地球質量m，日地距離R，地球距L2為r，由萬有引力提供向心力，且地球和拉格朗日點物體角速度相同，L2點滿足：

$frac{M}{left( R+r ight)^{2}}+frac{m}{r^{2}}=frac{M}{R^{2}}+frac{rleft(M+m ight)}{R^{3}}$

由於地球質量m遠小於太陽質量M，因此可近似得：

$rapprox Rsqrt[3]{frac{m}{3M}}$

拉格朗日點是由數學家歐拉和拉格朗日計算出來的三體問題（相信大家都很熟悉歐拉和拉格朗日，另外，這裡的三體純粹指的是三個物體）在日地拉格朗日點上，太陽的萬有引力和地球的萬有引力正好為這一點的物體提供公轉的向心力，並且拉格朗日點上的物體相對於太陽和地球的相對位置是不變的，因此這一特徵使得處於拉格朗日點的物體只需要消耗很少的燃料就可以維持穩定的軌道運行。拉格朗日點一共有5個，其中L4和L5是相對穩定的拉格朗日點，L1、L2和L3則很容易被垂直於向心力的外力破壞。不過離地球最近的兩個拉格朗日點分別是L1和L2，而這兩個點中，L2比L1更遠離太陽，有利於降低太空望遠鏡的太陽光污染和太陽風的干擾，因此L2是理想的深空探測長期駐留點，嫦娥一號飛船就曾經抵達過L2點。目前L2點的航天器主要的運行策略是處於L2的太空探測器以小半徑的穩定軌道環繞L2點，這也避免了眾多航天器對L2點的爭奪。

拉格朗日點示意圖

儀器參數

三代望遠鏡的儀器基本參數大致可以歸納如下：

JWST無紫外設備，LUVOIR的中紅外設備在考察中，尚無定論

3#儀器

LUVOIR計劃攜帶4台儀器，分別是：

ECLIPS: 近紫外-近紅外帶光譜儀的星冕儀，該儀器將首次實現系外行星直接成像。ECLIPS的波長範圍200-2200nm，如此寬的頻段分成了3個通道，分別是紫外線（200-400nm），可見光（400-850nm）和近紅外（850-2500nm），每個通道獨立配備可變形反射鏡、星冕罩、感測器和光譜儀，這樣的劃分的儀器參數會優於寬頻設計。儀器的成像對比度10-10，對比度穩定度，積分10-11，近角距離36m″@1μm，遠角距離1.4″@1μm。
LUMOS：紫外及可見光光譜儀及成像系統，波長範圍100-400nm，光譜解析度500~65000，視場3*1.6′。這台儀器分為遠紫外（100-200nm）和近紫外（200-400nm）兩段，LUMOS填補了哈勃之後紫外光譜儀的空缺，這台儀器的效率比哈勃太空望遠鏡的STIS高2~3個數量級，並且具有多物體、寬視場和多頻段的成像功能。LUMOS的詳細信息可以參考 https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1709/1709.06141.pdf

LUMOS的設計方案

HDI: 近紫外-近紅外高解析度廣角相機，波長範圍200-2500nm，視場2』*3』，同樣由於頻段較寬，HDI分為兩個通道，近紫外-可見光（200-950nm）和近紅外（800-2200nm）兩段。
POLLUX:紫外分光偏振儀，這台儀器為歐洲研製，波長範圍90-390nm，光譜解析度120k，圓極化+線性極化，目前可能也按遠紫外（90-123nm），中紫外(119-220nm)和近紫外（210-390nm）分三段進行成像；

POLLUX的光學採集方案

4#LUVOIR的科學目標

這張圖呈現出LUVOIR的總的科學目標，從星際間的物質IGM，到星際周圍的物質CGM，再到星系，星系內部的黑洞、原行星盤，再到類太陽系裡去發現類地行星

接下來我們逐一來看LUVOIR的科學目標：

尋找系外宜居星球

系外宜居星球指的是其他在太陽系外各種恆星可居住區岩石行星。也許有人會問，太陽系那麼大，我們一時半會出不去，為什麼探測系外的宜居星球呢？探測系外的宜居星球，不僅僅是增加我們對宇宙的認知，了解系外其他的可居住星球，也可以根據其他系外宜居星球的大氣成分和表面狀況，增進對地球可居住性的理解。

限於探測手段，迄今為止發現的類地行星都尚未能確定是否適合生命生存。LUVOIR的探測結果將向人類展示到：如果宜居星球十分稀有，那麼我們可以認識到我們的地球是多麼的寶貴，而我們的存在是多麼的獨特；如果存在大量的宜居星球，那麼其他宜居星球上很可能存在其他的生命形式。無論結果如何，都將改變我們對地球的認識。

LUVOIR是如何尋找宜居星球的呢？確認星球的可居住性需要探測到各種生命存在所必須的分子，如 $H_{2}O,O_{2},O_{3},CO_{2},CH_{4}$ 分子，這需要望遠鏡具有從近紫外到近紅外的寬波長覆蓋，而LUVOIR不僅覆蓋了上述光譜，還具有非常強大的星光抑制系統，這是探測系外行星所必須的。在宇宙中觀測，地球比太陽要暗100億倍，而LUVOIR所要實現的，是在35百萬秒差距外（約11億光年）外，抑制恆星相對明亮的光芒，而看到黯淡100億倍的行星。為了看清如此遙遠而又黯淡的行星，LUVOIR需要特別的穩定，使用足夠長的曝光時間來成像。

一些地球生命演化早期存在的分子和探測到的光譜分布

探索行星系統

當我們凝視太陽系時，似乎這就是我們世界的全部了，我們毫無參照物可言。於是我們需要探索其他行星系統，去了解那些行星的大氣結構、氣候、氣象、溫度、逃逸速度、溫室效應等方方面面。LUVOIR則可以分析上百個這樣的行星系統，從而徹底改變我們對宇宙行星系統，以及太陽系的認知。

高清版太陽系

太陽系內仍然有太多未知的領域有待發現和理解，LUVOIR可以提供低馬賽克版本高清的太陽系，其在木星軌道可以實現25公里的可見光解析度，這一解析度可以媲美正在造訪木星的朱諾號深空探測器。這將允許我們長時間觀測巨行星們（木星、土星、天王星、海王星）的大氣動力學。同時，太陽系有著不計其數的彗星、小行星，如此數量龐大的小天體難以靠航天器來一一探測，LUVOIR將肩負探測到更多也更清晰的這些迷你天體，而這些天體往往隱含著太陽系早期形成的重要原因。

從哈勃太空望遠鏡和從LUVOIR（模擬）上觀測到的木衛二水汽噴發

宇宙洪荒

LUVOIR將可以輕鬆面對曾經哈勃望遠鏡觀測宇宙的難題，比起哈勃和詹姆斯韋伯，LUVOIR看到的宇宙將更遠，也更久遠。星系如珍珠項鏈般被暗物質網路串聯起來，然而我們對暗物質的性質以及小型星系如何發育知之甚少，LUVOIR將帶給大家看到宇宙中更暗和更小的細節，使得我們可能解釋這些問題。此外，LUVOIR還能夠繪製毗鄰宇宙空間中暗物質的分布圖。

從哈勃太空望遠鏡HST、詹姆斯韋伯太空望遠鏡JWST（模擬）和從LUVOIR（模擬）上觀測到的星雲

星系演化

目前對星系的形成和演化主要來源於研究我們附近的星系的恆星群。而LUVOIR則將恆星群的探測範圍延伸到10~25百萬秒差距的距離（1秒差距需要光奔波3.2年之久），並且在如此大的空間尺度上，實現100秒差距的解析度，從而大幅拓寬了人們的視野，獲得更多樣化的星系形態、大小和環境。

此外，星系之間的氣體流動也會形成新的恆星，然而我們對這一形成的過程知之甚少，這一次，我們可以寄託於LUVOIR靈敏的紫外光譜分析了。

日地平均距離為1天文單位，即1AU，秒差距則依據三角函數來定義：

$sin1approx tan1=frac{1AU}{1pc}$

恆星演化

目前還沒有通用的理論來解釋恆星形成的過程以及恆星初始質量函數的機理。同樣LUVOIR將大幅擴充我們的視野，使我們不再局限於研究附近的恆星。此外，LUVOIR還可以研究星周盤的線性極化和去極化作用。

從哈勃太空望遠鏡HST和從LUVOIR（模擬）上觀測到的矮星，比例尺5千秒差距

由於作者才疏學淺，水平有限，文中有謬誤之處還請諸位多多指正！

Ref:

http://www.stsci.edu/hst/HST_overview/

https://jwst.stsci.edu/instrumentation

https://cor.gsfc.nasa.gov/copag/rfi/ATLAST_PAG_white_paper_FINAL.pdf

http://www.hdstvision.org/s/hdst_release_070615-vgck.pdf

https://cor.gsfc.nasa.gov/RFI2012/Martin_COPAG_Workshop_120919_sgnedit_small.pdf

https://exoplanets.nasa.gov/files/exep/NotionalTelescopeDesignfor10meter.pdf

https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20160012698.pdf

http://sites.nationalacademies.org/cs/groups/ssbsite/documents/webpage/ssb_176470.pdf

https://local.strw.leidenuniv.nl/cms/web/2017/20170717/presentations/Kavli%20Europe.Barstow.pdf

https://files.warwick.ac.uk/psmoffice/files/Meetings/Mission+Conference+2017/Talks/Wednesday/Interactions/PLATOconference2017_Fossati.pdf

https://arxiv.org/pdf/1709.06141.pdf

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JWST預算88億美元，至今為止已經花了六百多億美元（如果我沒記錯的話，肯定是幾百億美元的量級），強大如美國已經耗費了近30年時間，項目計劃推遲了好幾次。至於這個HDST關鍵得看美國能不能出得起錢了，估計這個錢是天文數字了！即使做出來，我們這代人也許老了能看見吧

跟同學討論的結論，LUVOIR最大意義應該是HST之外（如果HST撐得到那時）唯一的UV望遠鏡了吧。。。

回頭查查proposal和細節

一點也沒想像力，在太空建27個便宜的直徑2米光學望遠鏡組成 Space Very Large Optical/IR/UV Array, 通過干涉技術建成最大直徑60萬公里左右的太空干涉陣列，解析度可以是哈伯的30萬倍，看牛郎星比小望遠鏡看太陽還清楚，豈不美滋滋