除了韋伯望遠鏡，未來4大巨型太空望遠鏡

隨著最近發射的系外行星勘測衛星(TESS)於2018年4月18日(周三)發射，許多人的注意力都集中在下一代太空望遠鏡上，這些望遠鏡將在未來幾年內進入太空。這不僅包括目前計劃於2020年發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，還包括將於本世紀30年代部署的其他先進航天器。

這是2020年天體物理學的十年之際研究主題，其中包括目前正在研究的四個旗艦任務概念。當這些任務進入太空時，它們將會探測像哈勃、開普勒、斯皮策和錢德拉這樣任務，但它們的靈敏度和能力會更強。因此將揭示更多關於宇宙和宇宙所擁有的秘密。

正如所預期的那樣，在2020年十年研究中所提出任務概念涵蓋了廣泛的科學目標——從觀測遙遠黑洞和早期宇宙，到研究附近恆星周圍的外行星，以及研究太陽系的天體。這些想法經過科學界的徹底審查，有4個被選為值得追求。

正如NASA宇宙起源計劃首席科學家蘇珊·內夫在最近NASA新聞發布會上解釋的那樣：這是天體物理學的遊戲時間，我們想要建立所有這些概念，但是我們沒有預算同時做這四件事。這些十年研究的重點是給天體物理學界成員最好的信息，因為他們決定先做什麼科學。

這四個選擇的概念包括大型紫外線/光學/紅外測量員(LUVOIR)，一個在哈勃太空望遠鏡傳統中發展起來的巨型空間天文台。作為NASA戈達德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center)正在研究的兩個概念之一，這個任務概念需要一個空間望遠鏡，它的直徑約為15米(49英尺)。

相比之下，詹姆斯-韋伯望遠鏡（JWST）(目前最先進的太空望遠鏡)的主鏡直徑為6.5米(21英尺4英寸)。就像JWST一樣，LUVOIR的鏡子將由可調整的部分組成，一旦它被部署到太空。執行機構和電動機將積極調整和調整這些區段，以達到完美的焦點和捕捉來自微弱和遙遠天體的光。

藉助這些先進的工具，LUVOIR能夠直接成像地球大小的行星，並評估它們的大氣層。正如研究科學家阿基·羅伯特解釋的那樣：這項任務雄心勃勃，但要知道太陽系之外是否還有生命是值得的。所有的技術高桿都是由這個目標驅動……物理穩定性，加上主鏡的主動控制和內部日冕儀(阻擋星光的裝置)將會導致測量精度（這是關於控制）。

還有「起源太空望遠鏡」(OST)，這是戈達德太空飛行中心正在追求的另一個概念。就像斯皮策太空望遠鏡和赫歇爾太空望遠鏡一樣，這個遠紅外天文台的靈敏度是之前任何遠紅外望遠鏡的1萬倍。它的目標包括觀察宇宙的最遠端，通過恆星和行星的形成追蹤水的路徑，並在太陽系外行星的大氣層中尋找生命跡象。

其主鏡直徑約9米(30英尺)，將是第一個主動冷卻望遠鏡，保持其鏡的溫度約4 K(-269°C;-452°F)和0.05 K溫度探測器。為了實現這一目標，OST團隊將依賴於太陽盾的飛行層、4個冷凍冷卻器和一個多階段連續的絕熱消磁冰箱(CADR)。

據Goddard的科學家和OST的研究科學家Dave Leisawitz說：OST特別依賴於在數百萬像素中測量的超導體陣列。當人們問及開發起源空間望遠鏡的技術差距時，我告訴他們前三種挑戰都是關於探測器的。

具體來說，OST將依賴於兩種新型的探測器：過渡邊緣感測器(TESs)或動力電感檢測器(KIDs)。雖然仍相對較新，TES探測器正在迅速成熟，目前正被用於美國國家航空航天局(NASA)平流層紅外天文觀測台(SOFIA)的HAWC+儀器。

然後是由美國宇航局噴氣推進實驗室開發的可居住系外行星成象儀(HabEx)。像LUVOIR一樣，這個望遠鏡也可以直接成像行星系統，用一個大的分割鏡像來分析行星大氣組成。此外還將研究宇宙歷史上最早的時代，以及最大型恆星的生命周期，從而揭示出生命所必需的元素是如何形成。

和LUVOIR一樣，HabEx將能夠在紫外線、光學和近紅外波段進行研究，並能夠屏蔽掉母星的亮度，這樣它就能看到環繞它的任何行星反射的光。正如美國航空航天局的專家尼爾·齊默爾曼(Neil Zimmerman)所解釋的那樣：

為了直接成像一個圍繞附近恆星運行的行星，我們必須在動態範圍內克服一個巨大障礙：恆星勢不可擋的亮度，與地球上星光暗淡的反射相比，只有一個微小的角度將兩者分開。這個問題沒有現成的解決方案，因為它與觀測天文學中的任何其他挑戰都不同。

為了應對這一挑戰，HabEx團隊正在考慮兩種方法，其中包括可以阻擋光線和內部日冕的外部瓣形恆星陰影，以防止星光到達探測器。另一種可能被研究的方法是將碳納米管應用於日冕儀上，以改變仍然通過的衍射光的模式。

最後，但並非最不重要的是，x射線測量師被稱為Lynx，由馬歇爾太空飛行中心(Marshall Space Flight Center)開發。在這四個太空望遠鏡中，Lynx是唯一一個用x射線檢查宇宙的概念。利用x射線微熱量計成像光譜儀，這個太空望遠鏡將探測到宇宙中最早的星系中心超大質量黑洞(SMBHs)的x射線。

這項技術由x射線照片擊中探測器的吸收器，並將其能量轉化為熱能，由溫度計測量。這樣Lynx將幫助天文學家解開最早超大質量黑洞(SMBHs)是如何形成的。正如在Goddard的Lynx研究成員Rob Petre描述的任務：

超大質量黑洞的存在比我們目前的理論預測的要早得多。我們不理解如此巨大的天體是如何在第一批恆星形成後不久形成。我們需要一個x射線望遠鏡來觀察第一批超大質量黑洞，以提供關於它們如何形成的理論解釋。

不管NASA最終選擇了哪個任務，機構和個人中心已經開始投資先進的工具，在未來追求這些概念。4個小組在3月提交了他們的臨時報告。預計到明年將完成國家研究委員會(NRC)的最終評審報告，該報告將在未來幾年向NASA提供建議。

作為美國宇航局天體物理項目辦公室的技術開發經理，泰Pham表示：我不是說這很容易，它不會。這些都是雄心勃勃的任務，具有重大的技術挑戰，其中許多是重疊並適用於所有的，好消息是現在已經奠定了基礎。

隨著苔絲的部署和詹姆斯-韋伯望遠鏡（JWST）計劃在2020年發射，未來幾年的經驗肯定會被納入到這些任務中。目前尚不清楚，到本世紀30年代，以下哪一種概念將進入太空。然而在他們的先進儀器和從過去的任務中吸取的教訓之間，我們可以期待他們對宇宙有一些深刻的發現。最後一句：NASA真是666啊

博科園-科學科普｜文：Matt Williams｜來自：Universe Today｜參考：NASA