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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(wù)。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(zhì)網(wǎng)？我們會發(fā)現(xiàn)行星和生命的起源嗎？這些是當(dāng)今天文學(xué)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(xué)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(xué)科的最厲害的天文學(xué)家團隊將確定未來十年天文學(xué)的優(yōu)先研究事項。根據(jù)美國國家科學(xué)院的選擇，該小組將評估四個空間望遠鏡任務(wù)——其中任何一個任務(wù)都可以改變天文學(xué)的面貌，以及10個較小的探測器任務(wù)。然后，天文學(xué)家將在一份名為十年調(diào)查的報告中闡述對未來天文學(xué)研究的愿景。

在過去的50年里，十年規(guī)劃為空間天文學(xué)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(wù)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(wù)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(yù)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(wù)”：HabEx，LUVOIR，Lynx和”起源” Space Telescope（按字母順序排列）的方案提供詳細(xì)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(jié)構(gòu)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(diào)查的大型任務(wù)所做的研究要多得多?！?/p>

“大”不能準(zhǔn)確形容這些項目; “轉(zhuǎn)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(xué)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(wù)保證將為天文學(xué)帶來巨大的收益。

盡管尚未公布最終成本估算，但這些任務(wù)中的任何一項都需要至少數(shù)十億美元來設(shè)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(wù)。

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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(wù)的藝術(shù)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(shè)置的最終目標(biāo)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(zhì)、地球大小的行星進行成像和表征。該任務(wù)的儀器套件旨在尋找可居住的大氣層和生物化學(xué)標(biāo)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(wù)中最棘手的部分。雖然自20世紀(jì)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(shù)難關(guān)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(zhuǎn)向新的目標(biāo)。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(gòu)是最昂貴的配置，需要開發(fā)的技術(shù)最多，”HabEx團隊聯(lián)合主席高迪說?！八衅渌渲枚急容^便宜，需要更少的技術(shù)就能實現(xiàn)，但當(dāng)然它們也無法做多少科學(xué)研究?！?/p>

盡管如此，HabEx的科學(xué)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(xué)家能夠探索從宇宙中缺失的物質(zhì)到觀測類似海王星、天王星的冰質(zhì)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(shù)。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(xué)/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(jié)構(gòu)，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(wù)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(wù)超過10年，則必須進行人工調(diào)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(biāo)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(xué)系統(tǒng)可精確調(diào)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(diào)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?！?/p>

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(guān)重要的。“HabEx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。”

Gaidi同意這一點：“HabEx將是嘗試?yán)斫膺@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)。”

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(xué)模擬，”O(jiān)’Meara說?！拔覀儗⒋蜷_未知的新領(lǐng)域?！?/p>

左圖是哈勃望遠鏡拍攝的一個低質(zhì)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(xì)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(zhì)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(wù)中最雄心勃勃的， O’Meara說?！爱?dāng)然，這會帶來成本。LUVOIR會超過50億美元?！?/p>

責(zé)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(fù)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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