NASA 考虑其下一代旗舰太空望远镜

NASA 正面临着一个令人难以置信的挑战：预测未来二十年天文学的状态，并为未来设计一台望远镜。这种预测壮举是必要的，因为 NASA 的旗舰任务，即哈勃太空望远镜级别的天文台，这些天文台重新定义了我们对宇宙的理解，至少需要提前那么多的时间进行规划。为此，该太空机构刚刚启动了一系列研究，以考虑四个可能的主要任务——其中一项最有可能在 2035 年左右发射。

四月份，由来自世界各地的科学家组成的四个“科学和技术定义团队”将开始勾勒出各种潜在的旗舰任务。2019 年，这些团队将把他们的最终报告提交给国家科学院，其独立的十年调查委员会就 NASA 应该优先考虑哪个任务提供建议。从这个过程的开始到完成建造，将近 20 年的时间会过去。“太空是艰难的。这些东西很大，”NASA 天体物理学部主任保罗·赫茨说。“把它做好需要很长时间。”

NASA 正在考虑的任务被称为远红外巡天仪、X 射线巡天仪、宜居行星成像任务 (HabEx) 和大型紫外-光学-红外巡天仪 (LUVOIR)。

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LUVOIR：超级哈勃

LUVOIR 将拥有一个 8 到 16 米宽的反射镜，即使在范围的较小端，也是哈勃望远镜的三倍多。LUVOIR 的反射镜很可能由较小的片段拼接而成，就像马赛克一样，因为以必要的精度建造一个如此巨大的反射镜几乎是不可能的。在与哈勃望远镜相同的波长下，LUVOIR 可以拍摄出与前者望远镜闻名的相同类型的引人注目的照片，并且像哈勃望远镜一样，它也可以使用光谱仪将光线分解成组成颜色。该天文台将是多面手，能够观察恒星、星系和黑洞的形成和演化。

但 LUVOIR 研究行星的潜力最让科学家们兴奋。该望远镜有可能找到围绕附近恒星运行的地球大小的世界，然后确定它们是否真的像地球。LUVOIR 的光谱仪将解析大气层中是否存在生物学迹象，或者至少是适合生命存在的迹象。“潜在的宜居行星，甚至可能是有生命的行星的发现，真的会催生今天不存在的全新的科学领域，”NASA 戈达德太空飞行中心的天体物理学家，LUVOIR 团队的首席研究科学家 Aki Roberge 说。但该望远镜将观察所有类型的行星，而不仅仅是那些让我们想起家园的行星，从而帮助揭示地球是正常的还是异常的。

行星不容易成像，因为它们的恒星亮度大约亮 100 亿倍。为了发现那些遥远的世界，LUVOIR 要么需要日冕仪——望远镜上的一个圆盘，可以阻挡来自恒星的光线，很像月球在日食期间阻挡阳光——要么需要星影仪，一个位于望远镜前面的屏幕，以完成相同的壮举。

HabEx：行星猎手

正在考虑的另一台望远镜 HabEx 与 LUVOIR 有许多相似之处。与该天文台一样，HabEx 也将是一台“瑞士军刀”望远镜，具有研究多种天文现象的能力，但它的设计将更狭隘地围绕着观测行星的目标。它将进行优化，以搜索和成像恒星宜居带中地球大小的世界，液态水可以在那里存在。凭借其 4 到 8 米的反射镜，HabEx 将旨在了解太阳系之外的类地世界可能有多普遍及其特征范围。与 LUVOIR 一样，它将使用光谱仪研究行星大气层，并使用日冕仪或星影仪遮蔽阳光。

远红外巡天仪：夜视镜

HabEx 和 LUVOIR 都收集人眼可以看到的能量范围内的光。但是第三个候选者，远红外巡天仪，将看到非常长波长的不可见光，这些光位于电磁频谱的一个范围内，到目前为止，望远镜基本上忽略了这个范围。利用这种光，科学家们可以及时回溯到最早的星系，这些星系的光波被宇宙的膨胀拉伸了。

红外光揭示了宇宙中其他无法探测到的部分，那些被尘埃笼罩的物体，例如正在形成的恒星和行星。可能导致生命的星际化合物以及有史以来形成的最初星系也出现在这些波长中。NASA 总部天文学家，远红外巡天仪团队的项目科学家 Kartik Sheth 说，对我们如何来到这里的此类调查只能通过远红外望远镜进行。它需要一个大的反射镜或孔径，以及观察大片天空的能力。

制冷是科学家们仍在研究的这个望远镜计划的一个问题，但它是关键：望远镜设备发射的红外辐射（热量）越多，仪器就会变得越热，从而掩盖了它可能从深空中拾取的微弱红外信号。“如果我们确实发射了一个更大的孔径，我们如何冷却更大的孔径？”Sheth 问道。如果他们想研究宇宙的起源，他们将不得不使用液氦将整个东西冷冻到接近绝对零度的温度。

X 射线巡天仪：回顾过去

最终的望远镜选择，X 射线巡天仪，也将瞄准宇宙中人眼看不见的部分。“X 射线天体物理学，因为它能量很高，可以让你看到你在任何其他波长都看不到的东西，”NASA 马歇尔太空飞行中心的 Jessica Gaskin 说，她是该天文台科学研究团队的负责人。在这些能量下，巡天仪还可以回答深层次的“最初”问题——但与红外望远镜不同。该仪器将回顾黑洞是如何开始的，星系是如何围绕它们形成的，以及宇宙的整体结构是如何形成的。“它们都回溯到从宏大的意义上理解我们宇宙的演化，”Gaskin 说。

该团队希望设计一台灵敏度比之前的 X 射线任务高约 50 倍的望远镜，即目前在轨道上运行的名为钱德拉 X 射线天文台的望远镜，并且能够绘制出同样详细的地图。“它绝对具有超越能力，”Gaskin 说。然而，为了制造这样一台望远镜，科学家们将不得不弄清楚如何制造一个直径巨大但不重的反射镜——这项壮举将需要开发新技术。“现在我们可以制造性能非常好的厚光学元件，”她说。“但挑战在于制造能够始终如一地发挥作用的薄光学元件。”

为了展望过去，NASA 必须看到未来

规划这些望远镜所涉及的挑战，更不用说团队无法预料的障碍，都需要一段时间才能解决。四月底，各团队将向 NASA 提交他们对当前任务的初步想法。然后，在八月份，他们必须各自提交一份“研究计划”，详细说明他们的时间表以及他们定义每个望远镜的目标、范围和成本所需的资源。经过两年的工作，在 2019 年 3 月，各团队将提交他们的报告，每份报告都尽可能最好地阐述了每个天文台实现的可能性。然后，十年调查小组将对这些项目进行评级和排名，就应该追求哪个项目向太空机构提供建议，届时 NASA 将采取第一步，实现这些望远镜中的一个在 2030 年代发射。

由于其跨世代的时间线，发射旗舰任务就像建造金字塔一样——如果从金字塔的顶峰，你可以看到星系的起源，窥视行星的大气层，并观看超大质量黑洞的诞生。但只有 NASA 的旗舰任务才能做到这一点——在几年后，我们将知道 NASA 将选择哪个未来。