未来的空间望远镜top-4（上）_风闻

原创：牧夫天文

翻译：陈艳玲

校译：华子乾 陆寅枫 田程偲 汪荣鑫

编排：胡暖暖

原文链接：https://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/2020-decadal-survey-future-astronomy/

四个方案正在角逐争夺美国宇航局的下一代空间望远镜研发任务。从寻找系外行星到观测X射线，未来的望远镜会长成什么样？

发挥我们的想象力。在未来的某一天，我们会在另一个地球上拍到海洋吗？我们会捕捉到宇宙最早期黑洞的踪迹，还是绘制出看不见的宇宙暗物质网？我们会发现行星和生命的起源吗？这些是当今天文学中最紧迫的问题，而答案通过建造更先进的望远镜就可能得到。

天文学家正在研究四个方案：HabEx, LUVOIR, Lynx, 和”起源”

NASA

明年年初，跨越多个学科的最厉害的天文学家团队将确定未来十年天文学的优先研究事项。根据美国国家科学院的选择，该小组将评估四个空间望远镜任务——其中任何一个任务都可以改变天文学的面貌，以及10个较小的探测器任务。然后，天文学家将在一份名为十年调查的报告中阐述对未来天文学研究的愿景。

在过去的50年里，十年规划为空间天文学确定了发展方向。至少到目前为止，任何在特定十年中获得最高优先级的太空任务最终都会进入发射台。该清单包括哈勃空间望远镜，该望远镜在1972年的报告中得到优先考虑并于1990年发射;钱德拉X射线望远镜，于1982年获得优先考虑，并于1999年发射; 斯皮策空间望远镜于1991年获得优先考虑并于2003年发射升空。

接下来是詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）在2000年被优先考虑，然后是广角红外探测望远镜（WFIRST），在2010年的十年规划中获得第一名。这两项任务尚未启动。虽然它们可能仍然可能进入太空，但詹姆斯·韦伯由于许多延误和预算超支大大提高了政治成本。这也是为什么2016年美国宇航局开始计划为四个“大型任务”：HabEx，LUVOIR，Lynx和”起源” Space Telescope（按字母顺序排列）的方案提供详细研究的资金，这些资金包括了从成本计算模型到工作分解结构的所有内容。

通过这些研究，美国宇航局希望避开类似JWST的情况。LUVOIR团队成员John O’Meara（W. M. Keck天文台）说：“现在，这四项方案中的每项方案都比历史上的任何一次十年调查的大型任务所做的研究要多得多。”

“大”不能准确形容这些项目; “转型”可能能更合理地形容它们。这些项目中任何一个所承诺的潜力都让天文学家感到震惊。从地球大小行星的直接成像到观测到在宇宙早期的第一个黑洞，这些任务保证将为天文学带来巨大的收益。

尽管尚未公布最终成本估算，但这些任务中的任何一项都需要至少数十亿美元来设计，建造和发射。因此，十年委员会只会优先考虑其中一项任务。

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HabEx：哈勃 2.0

可以将HabEx视为下一代哈勃空间望远镜。HabEx配有4米主镜 ——是哈勃望远镜主镜直径的两倍 ——可以探测到近红外，可见光和紫外线波段。但它与众不同的地方在于：HabEx配备了一个日冕仪和一个直径52米长的可折叠的恒星遮挡物（又名太空雏菊），使用它们可以直接拍摄小型系外行星。日冕仪在航天器内部，但是恒星遮挡物等将与主镜分开飞行，离望远镜大约76,000公里。

HabEx任务的艺术家概念图显示了望远镜和将随之飞行的独立恒星遮挡物（不按比例）。

HabEx / NASA

这个古怪的设置的最终目标是：找到另一个地球并进行研究。HabEx将对类似太阳的恒星周围的十几个岩质、地球大小的行星进行成像和表征。该任务的仪器套件旨在寻找可居住的大气层和生物化学标志的迹象，称为生物印记，这包括在这些行星的大气中测量氧气，二氧化碳和甲烷的吸收特征。HabEx甚至可以检测到海洋上闪烁的星光。

直接对系外行星成像是这项任务中最棘手的部分。虽然自20世纪90年代以来一直在研究利用遮挡物探测系外行星，但是之前从未实践过。需要“太空雏菊”的原因是，虽然望远镜内的日冕仪可以阻挡主星的大部分光线，但是一些星光会不可避免地会散射回视野中。太空雏菊可防止这种反向散射，从而可以探测到较小和较暗的行星。

HabEx的技术难关主要有两个：首先，太空雏菊必须在望远镜外自行飞行，使用自己的推进系统，不仅要与望远镜保持一致，还要能自主推进转向新的目标。其次，太空雏菊必须折叠发射然后在太空中展开，几乎没有容错的余地。

太空雏菊展开步骤

HabEx / NASA

也就是说，HabEx并非100％依赖于太空雏菊：该团队正在考虑总共9种配置。替代方案包括用3.2米的组装镜替换4米镜，以及不包括日冕仪或太空雏菊或两者都不包括的配置。

“我们首选的架构是最昂贵的配置，需要开发的技术最多，”HabEx团队联合主席高迪说。“所有其他配置都比较便宜，需要更少的技术就能实现，但当然它们也无法做多少科学研究。”

尽管如此，HabEx的科学价值远远不止于寻找系外行星。望远镜观测时间的一半将用于一般事业，使天文学家能够探索从宇宙中缺失的物质到观测类似海王星、天王星的冰质巨行星表面的极光等一系列课题。从某种意义上说，它将完成哈勃现在所做的大部分工作。但HabEx并不只是取代哈勃。它的主镜的尺寸是哈勃望远镜的两倍，由此HabEx将拥有四倍的光子聚集能力，并配有改进的相机和光谱技术。HabEx将看到比哈勃更多更远的地方。

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LUVOIR：更强大的望远镜

如果HabEx是下一代哈勃望远镜，则可以将大型紫外/光学/红外测量仪（LUVOIR）称得上是蜘蛛侠版的哈勃望远镜。LUVOIR的最大亮点是其15米口径的拼接主镜，在发射后将以与JWST相同的方式展开。该团队还展示了一种替代配置，即一个更小但仍旧可以说是史无前例的8米口径的拼接主镜。

这是中期报告中发布的15米LUVOIR望远镜的初步概念。遮阳板被绘制成透明，以便航天器可见。前视图显示了主镜和辅助支撑结构，而后视图并突出显示了支撑框架，其中包含四个仪器。

LUVOIR / NASA

和JWST和WFIRST一样 ，LUVOIR将在距离地球150万公里的L2拉格朗日点绕太阳运行。但与其他任务不同，LUVOIR可由宇航员改装，它提供了一个安全网，虽然价格昂贵，但使人工更换和升级仪器成为可能。

如果任务超过10年，则必须进行人工调整。为了防止航天器在太空中翻滚，它将使用微型推进器，而不是使用在哈勃和开普勒上失败过的飞轮保持姿态稳定。但是，由于它的口径高达15米，用于隔离太阳热量的遮光板也长达80米（因此它不能获取太阳能），LUVOIR的燃料消耗会很快，这会限制它的寿命，除非它重新加填燃料。

这个示意图显示了LUVOIR与其他望远镜相比的能力。 LUVOIR-A代表15米主镜，而LUVOIR-B代表8米主镜。

NASA / New Horizons / J. Friedlander & T. B. Griswold (NASA GSFC)

LUVOIR的目标是直接成像系外行星

——不仅是十几个，比如HabEx，而是上百个。与HabEx不同，LUVOIR不需要一个巨大的太空雏菊进行遮挡。并且它的光学系统可精确调整到皮米级稳定性，同时下一代日冕仪可达到极高的灵敏度，使得LUVOIR足以回答这个问题：在我们的宇宙中，可居住的行星和生命是否常见？

“我可以想象两种情景，”O’Meara说。“一种是调查类太阳星周围宜居带里的100颗类地行星时，一个生命也没有发现。另一种是发现生命很丰富。”

团队成员Aki Roberge（NASA Goddard）解释说，大样本量对于区分是否存在生命是至关重要的。“HabEx不能这样做，因为它们的样本量太小了。 LUVOIR更大的望远镜孔径使我们获得的样本量更大。”

Gaidi同意这一点：“HabEx将是尝试理解这个问题的’第一步’。而LUVOIR是一个“巨大的飞跃”，试图不仅回答这个问题，而且还能提供强有力的数据。”

寻找系外行星远非LUVOIR唯一的优势。望远镜将看到33-34星等的天体，远弱于在地球上可见的所有天体（由于在地球天空背景会有30星等的天空闪光），并且比哈勃望远镜的31星等更暗。“我们甚至还没有观测到过这么暗的天体的宇宙学模拟，”O’Meara说。“我们将打开未知的新领域。”

左图是哈勃望远镜拍摄的一个低质量的星系，其光线在到达望远镜之前已经运行超过了100亿年。右边是模拟显示的LUVOIR观测的同一个星系中的细节。图像的跨度是5.84弧秒。

G. Snyder (STScI)

在这样暗弱的星等水平可能会观测到整个宇宙中的矮星系，目前的望远镜无法探测到这些星系。“使用LUVOIR这样的望远镜，”

O’Meara指出，“我们能够看到距离100亿光年远的100个太阳质量的矮星系。”这样一个强大的望远镜也可以第一次绘制出星系周围的高温气体，虽然我们知道这些气体一定存在，但目前还无法直接观测到。

但强大的力量也带来了巨大的成本。“LUVOIR可以说是四大任务中最雄心勃勃的， O’Meara说。“当然，这会带来成本。LUVOIR会超过50亿美元。”

『天文时刻』 牧夫出品

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木卫二在木星大红斑上的影子，这是一张复合图，来自伽利略号2000年5月22日，1997年9月19日，以及卡尼西号2000年12月29日拍摄到的图像，图来自Jason Major。